Brevet FR2669159A1 — publié le 19920515

La présente invention concerne un dispositif limiteur de pot:ent:iei de contact associé à un limiter de courant de défaut: traversant le corps humain, quelque soit l'état impédant: d'un conducteur de protection destiné à etre branche en série entre une entrée d'un circuit de mise à la terre et un terminal dans un circuit de distribution électrique ainsi que des dispositifs complémentaires de sécurité associés. La presente invention est essentiellement concernée par la limital:ion du courant de défaut traversant le corps humain en contact avec le circuit de terre local auquel sont: branches des appareils consommateurs d'énergie électrique dans une installation domestique ou industrielle. On sait que l'on utilise des circuits de mise à la terre pour diriger vers celle-ci les courants de fuite et notamment ceux créés par un éven tuel court-circuit entre le conducteur de phase et la masse de l'appareil electrique considéré. On sait aussi que la qualite d'un circuit de mise à la terre et par conséquent celle de la securite qui lui est associée dépend de l'impédance de ce circuit. Ainsi, en prenant l'exemple classique de la mise à la terre du conduc t:eur de phase dans un appareil électrique, si l'impédance du circuit de mise à la terre de l'ensemble de l'installation est très faible, la quasitotalité du courant de fuite passera par ce circuit y compris dans l'hypothese où un usager viendrait à toucher accidentellement la masse de l'ap- pareil électrique considéré. En revanche, dans l'hypothèse où l'impédance globale du circuit de mise à la terre est assez élevée (voire meme inEinie dans le cas d'une coupure de ce circuit) une partie importante du courant de fuite (et même la totalite dans le cas d'une coupure) passera par le corps de l'usager considéré. Depuis longtemps, il a et fait des essais et il est généralement admis qu'un courant de 10 mA passant par le corps d'un être humain est susceptible de créer des Lésions irréversibles des que le temps de passage du courant: est supérieur à 100 ms. Aussi on conçoit qu'il est important de pouvoir maitriser l'impédance globale du circuit de mise à la terre. L'homme du métier s'est déjà trouvé confronté à ce problème. Il convient de rappeler ici que la mesure d'une prise de terre est un ensemble d'opérations fort coûteuses et difficiles à réaliser. En effet, selon la technique classique, la premiere condition est d'isoler l'alimentation électrique de la prise de terre, ce qui entraine une rupture du fonctionnement des appareils en service pendant le temps de contrôle. Une telle solution est rarement acceptée par les usagers et présente par ailleurs l'inconvénient de ne pas être continue. De plus les mesures classiques de prise de terre nécessitent l'implantation de pieux régulièrement espacés, ce qui n'est ni pratique ni fiable. Ces conditions contraignantes ont pour effet de limiter dans la réalité le contrôle des prises de terre bien que ce dernier soit impose par des règles impératives édictées dans la plupart des pays. Et, en réalité, ce contrôle est quasiment nul dans les installations domestiques. Aussi, d'une manière générale, se pose le problème de pouvoir faire une mesure et d'assurer la protection des usagers de l'énergie électrique de façon continue pour pouvoir détecter un défaut dès qu'il se produit, cette mesure ne devant en aucun cas etre néfaste pour les appareils raccordés au réseau (surtout s'agissant d'appareils tels que les ordinateurs). On sait que la conductivité d'un sol est mauvaise et qu'elle est essentiellement variable en.fonction des conditions meteorologiques. Aussi, on sait qu'il existe un dispositif de protection remarquable par sa fiabilite et son efficacite, c'est le fameux relais différentiel. L'analyse de son fonctionnement fait apparaître que le seuil de déclenchement est uniquement fonction de la valeur du courant de défaut maximum pour assurer la protection des inclividus et des machines, et ceci sans tenir compte de la valeur du potentiel de contact: sur le circuit de protection. En effet, les potentiels de contacts portés sur une boucle de protection sont représentés par l'équation de la loi d'Ohm en régime alternatif Cette observation pertinente autorise à déclarer avec certitude qu'il ne surfit pas de faire effectuer les contrôles pseudo-periodiques de la valeur résistive d'un puits de terre; mais de prendre en compte l'intégralité des etats complexes, à tous les instants, formant une boucle de protection. L'application des normes d'installations électriques dans différents pays sont claires : il est impératif et obligatoire d'installer un puits de terre, dès qu'on assure la protection des personnes et des machines par un disjoncteur différentiel. A cet effet, la présente invention vise à un dispositf limiteur de potentiel de contact associe a un limiteur de courant de défaut permettant de limiter le courant traversant le corps humain quelque soit l'état impèdant d'un conducteur de protection, en tenant compte à tous les instants de l'état du potentiel de contact et de sa continuité. Grâce à cette disposition, on conçoit aisément que le seuil de déclenchement du relais différentiel tiendra compte non seulement de la valeur du courant de défaut maximum mais aussi de la valeur du potentiel de contact maximum déterminé par l'état impédant du conducteur de protection. Grâce aussi à cette disposition, la qualité de la protection est bien de contrôler son efficacité au moment ou les courants de défaut et les potentiels de contacts se manifestent. En effet, si nous négligeons le potentiel de contact porté sur le conducteur de protection, le disjoncteur différentiel coupera l'alimentation électrique lorsque les courants de défaut atteindront la valeur maximum pré-réglée. Dans ce cas limite, analysons la situation d'un individu en contact: avec le conducteur de protection. On sait que la résistance du corps humain est en parallèle avec le conducteur cive protection. Si le conducteur de protec-tion est à impédance infinie, le corps humain sera traversé par le courant de défaut pouvant atteindre celui du réglage du disjoncteur différentiel. A ce moment, le potentiel de contact pourrait atteindre une valeur hors normes et dangereuse sans pour autant faire declencher le disjoncteur differeniel. La conséquence est importante et le risque est mortel pour les personnes en danger d'electrocution. Le dispositif, selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient majeur. Il comporte en effet: un système de mesure du potentiel de contact du conducteur de protection et selon la valeur de cette information proportionnelle à l'état impédant du circuit de protection, il délivrera un signal pour générer une disjonction. Il faut préciser que l'information voltmétrique est indépendante de l'information courant de fuite et que l'une ou l'autre ou les deux ensemble pourront agir sur un relais différentiel commun pour générer une disjonction. Grâce à ces caractéristiques, ledit dispositif sera branché soit entre le neutre et le circuit de protection, soit entre le neutre et une terre de mesure du terminal de distribution d'énergie électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, on observera en outre que le dispositif peut etre branché dans des installations où le neutre est confondu avec la terre (installations d'alimentations triphasées). Avantageusement, lorsque le dispositif est destiné à etre branché dans une installation comportant un disjoncteur différentiel, il est adapté à commander un déséquilibre des courants dans les conducteurs de la phase ct du neutre pour générer une d isjonct:ion. Grâce à ces dispositions, dés que l'appareil détecte une Coupure de circuit de terre ou, tout au moins, une élévation importante de son impédance, la disjonction est commandée. Dans un mode de rél isation préféré de cette variante de l'invention, l'appareil comporte un dispositif à triacs destiné à générer ledit déséquilibre. Cette disposition est particulièrement simple à mettre en oeuvre. Le dispositif selon la présente invention répond parfaitement aux soucis de certains utilisateurs d'installer des disjoncteurs différentiels dont le seuil est réglé entre 300 mA, 650 mA et plus, ce qui est normal pour la protection des machines et pour éviter les risques d'incendie, mais intolérable pour le courant traversant le corps humain en cas de coupure de circuit de terre ou d'élévation inconsidérée de son impédance. Grâce à ses propriétés, ledit dispositif étant intégré dans une installation électrique, l'usager a la certitude en cas d'électrocution que le courant traversant le corps humain est une constante quelque soit l'état impèdant du conducteur de protection Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif conforme à l'invention - la figure 2a est un schéma de principe d'un mode de réalisation de l'alimentation illustré en figure l - la figure 2b est un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un filtre accord à la fréquence du secteur illustré en figure l - la figure 3a est un schéma de principe d'un mode de réalisation précisant:: les points de contrôle pour une installation électrique mono phasée ou tri-phasee du type T.T. conforme aux installations tlomesiques ou industrielles comportant un neutre à la terre côte secondaire du transformateur d'alimentation et une terre séparée connectée aux différentes masses de l'installation électrique illustrées en figure 1 et - la figure 3a illustre, cie façon schématique, une autre utilisation conforme à la norne T.N. (terre et: neutre confondus) dont le neutre réuni à la terre est commun à toutes les masses de l'installation électrique y compris les liaisons équipotentielles. La representation de la terre de mesure permet l'utilisation du dispositif branché entre celle-ci et le neutre de l'installation comme illustré sur la figure 1. Le dispositif, selon la présente invention, est destiné à être interposé entre le point neutre de la distribution d'énergie electrique-et une prise de terre locale 3 (montage terre à la terre) ou une prise de terre de mesure 48 (montage terre neutre confondus). Sur la figure 1 le dispositif conforme à l'invention porte la référence générale 10. Il est interpose entre un terminal au point neutre de distribution d'énergie'électrique (220 volts alternatif dans cet exemple), ce point etant schematlsé par un transformateur 1 comportant sa propre prise de terre 2 et une prise de terre locale 3. La prise de terre locale 3 est raccordée à un circuit de terre 4, luimême raccordé à une prise de terre réelle S, pouvant etre constitué par exemple par un pieu planté dans le sol. La prise de terre locale 3 constitue ici l'entrée du circuit de terre 4. D'une manière générale le circuit de terre est plutôt inductif comme illustré par l'impédance 4a. En fait, l'impédance de ce circuit est complexe. La prise de terre peut être essentiellement résistive (5a), essentiellement capacitive (5b), essentiellement inductive (Sc), ou, plus généralement présente une combinaison des trois impédances sus- mentionnées. En figure 1, on a illustré ces impédances en parallèies. Dans la réalité les impedances se combinent de façon beaucoup plus complexe et aléatoire. Comme explique plus haut, le circuit de mise à la terre peut présenter un danger, celui d'avoir une impédance particulièrement élevée en aval d'un point de contact fortuit avec une personne. En 7, on a ainsi illustre une silhouette venant: en contact en 6 avec le circuit de mise à la terre 4. Si l'impédance globale du circuit de mise à la terre est supérieure à celle du corps, l'essentiel du courant éventuel de fuite passera au travers du personnage 7, ce qui, comme expliqué plus haut est particufièrement dangereux. Selon le mode de réalisation choisi et représenté en figure 1, le dispositif conforme à l'invention mesure le potentiel de contact du circuit de protection et comporte une alimentation 12 raccordee au conducteur de neutre 11' d'un terminal de distribution d'énergie électrique. L'alimentation 12, dont un mode de réalisation sera décrit plus loin à l'appui de la figure 2a, est essentiellement adaptée à générer deux potentiels continus et stables dont la référence est reliée au conducteur 25. Ce conducteur est raccordé - à un générateur de courant programme 13 - à un adapteur d'impédance 14 - à un Eiltre accordé 15, - à un trigger 16 - à un declencheur 17. Le conducteur 25 commun et branché aux éléments 12 - 13 - 14 - 15 16 et 17 represente la réfcrence O de l'alimentation redressée et par consequent le neutre et la terre du transformateur 1, soit le point ll'. L'alimentation réalisée à partir de 220 volts alternatif, îl et il', fonctionne par le transfert de la quantité d'électricité chargée alter nativement pos i t i veinent et négativement clans un condensateur. Le O de l'alimentation est la référence de toute l'électronique et représente le neutre de l'installation. Le générateur à courant programmé 13 (impédance infinie) a une entrée alimentée en alternatif à la fréquence du secteur en un point îi à travers une résistance de limitation 22 et raccordee à la borne 26 de l'élément 13. Ce generateur injecte un courant programmé de l'ordre par exemple de O,S mA destiné à la vérification de la continuité de la boucle de protection. Ce courant est injecté à partir du point 27 vers le point de mesure 28 vers le point 32 de la capacité 20 destinée à réaliser une liaison non galvanique à la sortie de celle-ci 33 vers le point de terre 3. L'adapteur d'impédance 14 a pour objet de mesurer le potentiel de contact de l'ensemble de la boucle de protection, son entrée 29 est réunie au point de mesure 28 représentant d'une part la terre de l'installation électrique et raccordée d'autre part sur le conducteur 25 représentant le neutre de l'installation électrique. L'information de la mesure du potentiel de contact est reçue au point 30 pour être raccordée au point 31 du filtre 15, accordé à la fréquence du secteur pour éviter les perturbations transitoires. A la sortie de ce filtre 41, l'information de mesure, dépouillée de toute information transitoire, est connectée au 42 entrée du trigger 16. Le trigger 16 est destiné à fournir l'information finale de déclenchement, détectée et mise en forme par l'adapteur d'impédance et le filtre. La sortie 38 du trigger 16 est raccordée à l'entrée 37 du déclencheur 17. I.e déclencheur Il est un système de commande pour thyristors, montage tête-bêche, destiné à alimenter par tout ou rien un relais electro- mécanique sur le réseau alternatif La sortie 36 générant l'information de commande et réunie au point 40, porte du système "triacs" ou "thyristors", montage tête-bêche 19, destiné à alimenter la bobine d'un relais electro-mecanique 18 dont l'entrée 34 est raccordée à la phase du secteur Il et la sortie 43 vers l'entrée 39 du relais, et sa sortie 44 vers le neutre li'. Ce relais electro-mecanique peut comporter un ou plusieurs contacts mécaniques La fonction essentielle de ce relais électro-mécanique 18 est de provoquer un courant de défaut en cas de depassement du potentiel de contact en connectant par le contact 23, le neutre 11' à la phase 8 avant le tore 49, à travers une résistance de limitation 21. Le calcul de la résistance 21 permettra de faire passer un courant de defaut superieur au réglage de courant de disjonction différentielle, pendant le temps de disjonction de celui-ci. Le dispositif selon la présente invention permet de commander la disjonction à partir du moment où l'impédance du circuit de terre est trop elevée ou lorsque le circuit de terre est coupé. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, on provoque alors un déséquilibre dans le tore 49 au moyen d'une résistance 21 commandé par un dispositif à triac 19 lui-meme commandé par le signal en sortie 36 du declencheur 17 Bien sûr, il est possible de prévoir l'utilisation des contacts mécaniques supplémentaires du relais 18 pour créer simultanément une alarme visuelle par le contact 45 ou une alarme sonore par l'intermédiaire du contact 46, et enfin dans le cas où une non disjonction est impérative à l'utilisation, on peut aisément supprimer la connection de la résistance 21 vers la phase 8 avant le tore 9. A ce moment il n'y aura pas de disjonction différentielle et on peut utiliser le contact 7 pour créer une permutation sur un circuit de terre différent en attente et prévu à cet effet. Le dispositif selon la présente invention permet avantageusement d'avoir un point de mesure 28 commun à un circuit de terre isolé galvaniquement par une capacité cle sécurité, et à un circuit de mesure ou l'adapteur d'impédance 14 reçoit d'une part une tension générée par le générateur de courant programmé destiné à vérifier la continuité du conducteur de protection et d'autre part et simultanément le potentiel de contact. La somme vectorielle de ces deux tensions, mesurée sur un circuit à haute impédance, est la vraie valeur de la somme des impédances. Les inventeurs ont illustré sur les figures 3a et 3b les schémas d'alimentations électriques conformes aux normes en vigueur et précisent les points d'alimentation et de mesure selon le cas où le circuit de terre est séparé du neutre et où ce circuit est confondu avec le neutre. Les points 11 et 11' étant l'alimentation dudit dispositif et le point 3 le point de mesure illustré en figure 1. Bien entendu, la présente invention ne se limite nullement au mode de réalisation décrit et représenté ici, mais englobe, bien au contraire toutes variantes à la portée de l'homme de l'art. Il apparait ainsi que l'homme de l'art peut réaliser plusieurs des éléments décrits à l'appui de la figure 1 au moyen de structures équivalentes. C'est aussi le cas des élements décrits à l'appui des figures 2a et 2b. La présente invention, selon les inventeurs, proposant que l'utilisation dudit dispositif permet de limiter concrétement le potentiel de contact du conducteur de protection, dans toutes les installations électriques, quclque suit son état ilnpédant, Silaite donc la valeur du courant de défaut s'écoulant vers la terre locale 3, ou points de terre annexes 5 ; en créant un déséquilibre de courant transitoire dans Se système différentiel entre la phase 8 et le neutre ll' de l'installation, ou la terre de mesure 48 utilisée -figure 3b- dans le cas d'une installation électrique où le neutre est confondu avec la terre. L'utilisation d'un relais différentiel inutile dans le cas d'une installation électrique à neutre confondu avec la terre devient par ce procédé un élément actif pour permettre une disjonction en cas de défaut. Le dispositif de la présente invention, au-delà de l'utilisation avec disjoncteur différentiel, peut etre utilisé en conjonction avec tout élément: de coupure tels que : discontacteur, disjoncteur à émission de courant, etc... R E V E N 1) I C A T I O N S l). Dispositif de sécurité et de protection des personnes contre les dangers de l'énergie électrique, dus à des potentiels de contact inadmissibles pour le corps humain, en raison d'impédance trop i3levée ou de discontinuité du circuit de protection de mise à la terre, comportant au moins d'une part un relais diffélentiel (/49) branché en amont d'un circuit de distribution électrique, éventuellement équipé de moyens de coupure du circuit, et d'autre part un ensemble electronique (10) de mesure de potentiel de contact Çaracterisé en ce qu'il comprend - Une alimentation (12) des circuits, un moyen (13) permettant de générer un courant de mesure programmé, un moyen (20) d'injection non galvanique de ce courant dans le circuit de protection de mise à la terre, un moyen (14) d'adaptation d'impédance et de mesure de potentiel traduisant la valeur de l'impédance du circuit de protection, un moyen (15) de filtrage et de résection des perturbations transitoires accorde sur la fréquence du secteur, un moyen (16) de détection de seuil produisant un signal de dépassement de potentiel admissible sur le conducteur de protection, un moyen (17) de traitement- de ce signal pour déclenchement d'un élément de commutation (19) pilotant un relais électromagnétique (18), un moyen constitué de la résistance (21) et du contact (23) du relais electro- magnétique (18) permettant de dériver un courant de défaut de la phase (8) avant le tore 49, vers le neutre 11' et provoquant un déséquilibre dans le différentiel (49) utilisable pour déclencher un élement de coupure du type disjoncteur, un moyen de piloter par les contacts (45) ou (46) du relais électromagnétique (18) un avertissement ou une alerte visuelle ou sonore, dans le cas ou une coupure de la distribution électrique ne peut être envisagée. 2). Dispositif selon La revelldicatioll l., caractérisé en ce que l'alimentation (12) des circuits électroniques est réalisée sans isolation galvanique par rapport au circuit de distribution, de telle sorte que le point commun (25), référence O des circuits alimentes, soit electri- quement Liés au conducteur (11'), représentant: le neutre du circuit de distribution. 3). Dispositif selon la revendication 1., caractérise en ce que le générateur de courant de mesure (13), produit un courant alternatif de 0,7 m eff. permettant, sans danger pour le corps humain, la véri-- fication permanente de la continuité du conducteur de protection. 4). Dispositif selon la revendication 1., caractérisé en ce que la détection d'un déséquilibre de courant dans le relais différentiel (49) peut etre provoquée indépendamment, soit par un courant de défaut supérieur à la valeur de réglage du différentiel, soit par le moyen d'un relais (18) créant un courant de défaut suffisant pour la détection, par la résistance (21) et représentatif du dépassement de la valeur pré-réglée du potentiel de contact admissible.