Brevet FR2673762A1 — publié le 19920911

DISPOSITIF POUR LA MESURE DE COURANT POST-ARC D'UN INTERRUPTEUR ELECTRIQUE DE PUISSANCE. La présente invention se rapporte à un dispositif pour la mesure du courant post-arc d'un interrupteur ou disjoncteur électrique de puissance incorporé dans un circuit alimenté en tension alternative. Il est connu depuis fort longtemps de mesurer l'amplitude du courant post-arc d'un tel interrupteur ou disjoncteur électrique, afin en particulier d'obtenir des informations sur l'étant et/ou les performances de cet interrupteur ou disjoncteur. Dans la conception ancienne, et maintenant pratiquement révolue, où ces interrupteurs ou disjoncteurs fonctionnaient dans l'air, cette mesure ne posait pas de très gros problèmes, en raison de la durée et de l'amplitude suffisamment élevées de ce courant post-arc dans flair: en moyenne 1 0 à 1 00 microsecondes en durée, et I a 10 Ampères en amplitude dans le cas de la moyenne tension. La mesure de courant post-arc se faisait alors en mesurant la tension aux bornes d'une résistance-série de faible valeur, improprement appelée "shunt" en jargon de métier, qui était avantageusement réalisée, pour ne pas introduire de boucle réactive, sous forme de "shunt coaxial". Cette résistance de mesure, de conception maintenant très classique, se compose de deux tubes métalliques concentriques dont l'un, généralement le tube intérieur, est en matériau résistant. Ces deux tubes sont reliés électriquement l'un à l'autre à l'une de leurs deux extrémités, de sorte que le courant à mesurer les parcourt en série. La tension à mesurer est alors prise entre les deux extrémités du tube résistant, c'est à dire donc généralement du tube intérieur. Cette façon de faire s' est révélée très satisfaisante jusqu'à ce que l'introduction de l'hexafluorure de soufre SF6 comme gaz de refroidissement dans ces interrupteurs ou disjoncteurs soit venue bouleverser toutes les données. L'utilisation de l'hexafluorure de soufre SF6 a en effet permis de diminuer d'un ordre de grandeur non seulement les dimensions de ces interrupteurs et disjoncteurs, mais encore l'amplitude et la durée du courant post-arc, qui sont passées respectivement à 1 à 2 microsecondes et à 0,1 à 1 Ampère pour la moyenne tension. Le shunt coaxial tel qu'il était réalisé auparavant ne pouvait alors plus être utilisé. Én effet, pour supporter les forts courants mis en jeu lors du fonctionnement normal de l'installation, ce shunt devait avoir des dimensions suffisantes, ce qui lui conférait une assez forte réactance. Or, l'on sait que l'erreur de mesure alors effectuée est proportionnelle à la réactance du shunt et inversement proportionnelle à sa résistance. Avec les shunts coaxiaux utilisés jusqu'alors, cette erreur de mesure devenait du même ordre de grandeur que l'intensité du courant post-arc à mesurer dans l'hexafluorure de soufre. La solution qui aurait consisté à multiplier par un facteur 10 la valeur de la résistance du shunt pour diminuer cette erreur de mesure n'était pas envisageable, car la chute de tension aux bornes de cette résistance-série serait alors devenue bien trop élevée. La solution qui a été mise en oeuvre il y a quelques années pour résoudre cette difficulté a consisté à brancher un interrupteur électro-mécanique aux bornes de cette résistance de mesure, et à commander cet interrupteur de façon à court-circuiter cette résistance pendant la majeure partie de l'alternance du courant alternatif, sauf de part et d'autre des instants de passage par zéro de ce courant. Cette réalisation connue et schématisée pour plus de clarté sur la figure 1 jointe qui représente, en fonction du temps t, l'intensité I du courant qui parcourt le circuit à 1' ouverture de l'interrupteur ou disjoncteur (non représenté), ainsi que les états respectifs, pendant une alternance complète de ce courant I, de la résistance de mesure ou "shunt" R, et du contacteur électro-mécanique commandé C qui est branché à ses bornes. Sur cette figure 1, la demi-alternance A au cours de laquelle se produit, par exemple à l'instant to, l'ouverture de l'interrupteur ou disjoncteur de puissance considéré (non représenté) est dessinée en traits pleins. Comme on le sait, la naissance de l'arc au moment de cette ouverture n' interrompt pas le courant I, mais cet arc s'éteint naturellement au moment du prochain passage par zéro, à l'instant tir de ce courant I: le gaz SF6 a alors pour rôle de refroidir suffisamment l'espace entre les contacts du disjoncteur pour empêcher que cet arc ne puisse se réallumer. Le courant post-arc Ip qui existe alors est très faible et très bref, comme précisé ci-dessus, et tout le problème consiste à le mesurer. Si l'on considère maintenant, en régime établi, une alternance complète A du courant I (dont la seconde demi-alternance est ici dessinée en pointillés), le contacteur électro-mécanique de court-circuit C est commandé extérieurement de façon à être fermé pendant la majeure partie de l'alternance A, et à être ouvert pendant un intervalle de temps dt détermine (de quelques centaines de microsecondes, par exemple) de part et d'autre du passage par zéro de cette alternance A, détaillée au dessin. De la sorte, le "shunt" de mesure R est court-circuité lorsque le courant I est relativement élevé, et il est au contraire branché en série dans le circuit au cours de chaque passage par zéro de ce courant I. Or, en cas de mesure de courant post-arc Ip, ce n'est qu'au voisinage du passage par zéro du courant I que ce "shunt" R est utilisé. La résistance de mesure R n'ayant plus qu'à supporter de relativement faibles intensités peut alors être de dimensions bien plus réduites, de sorte que sa réactance propre est bien plus faible, et la valeur de sa résistance propre peut être augmentée puisque la chute de tension quelle introduit lors de son branchement pour ces faibles courants I n'est plus significative. L'erreur de mesure introduite par ce shunt est alors d'un ordre de grandeur acceptable. Cette solution connue a cependant pour inconvénients de manquer de précision sur le temps d'ouverture de ce contacteur C, ainsi que d'être complexe en ce qui concerne le dispositif de commande extérieur de ce contacteur, encombrant par sa présence, et finalement assez coûteux. L'invention vise à remédier à ces inconvenients. Elle se rapporte à cet effet à un dispositif pour la mesure du courant post-arc d'un interrupteur ou disjoncteur électrique de puissance incorporé dans un circuit électrique alimenté en tension alternative, ce dispositif comportant au moins une resistance de mesure de faible valeur branchée en série avec cet interrupteur ou disjoncteur, avec des moyens pour mesurer la tension aux bornes de cette résistance de mesure, et se caractérisant par le fait qu'il est en outre prévu, afin de pratiquement court-circuiter cette résistance de mesure en dehors d'un intervalle de temps limité s'entendant de part et d'autre des instants de passages par zéro du courant alternatif qui parcourt ce circuit électrique, au moins un couple d'éléments redresseurs à semi-conducteurs de caractéristique directe tension/courant non linéaire présentant un coude, avec forte pente aux faibles courants et faible pente aux forts courants, et à temps de recouvrement négligeable, du genre diode SCHOTTKY par exemple, qui sont montés tête-bêche et en parallèle aux bornes de cette résistance de mesure, de sorte qu'aux faibles valeurs d'intensité instantanées du courant alternatif, la quasi-totalité de ce courant passe à travers cette résistance de mesure, tandis qu'aux plus fortes valeurs instantanées d'intensité, situées au delà du point de croisement de la caractéristique linéaire de cette résistance de mesure et de ladite caractéristique non-linéaire de ces éléments redresseurs, la quasi-totalité de ce courant passe à travers l'un ou l'autre de ces derniers. Avantageusement, dans le cas de courants d'intensité de crête trop élevée pour pouvoir être supportée par ces premiers éléments redresseurs à très faible temps de recouvrement, il est en outre prévu, aux bornes- de ce premier couple d'éléments redresseurs, au moins un autre couple tête-bêche d'eléments redreseurs, à semi-conducteurs de plus forte puissance, qui peuvent alors avoir un temps de recouvrement non-négligeable, ces autres éléments redresseurs, du type diodes de forte puissance par exemple, ayant aussi une caractéristique directe tension/courant non linéaire, et dont la pente aux faibles courants, donc en deça du coude, peut être supérieure à celle de ces premiers éléments redresseurs à très faible temps de recouvrement, dont par ailleurs la pente aux forts courants est nettement plus faible que celle de ces premiers éléments redresseurs, et dont enfin la tension au coude est nettement supérieure à celle de ces premiers éléments redresseurs, de sorte que les caracteristiques directes de ces deux sortes d'élements redresseurs se croisent bien au dela du point de croisement précité de la caractéristique linéaire de la résistance de mesure et de la caractéristique directe de ces premiers éléments redresseurs, en un point tel que la quasitotalité du courant, pour ses valeurs de plus forte intensité instantanée, passe dans ces éléments redresseurs de très forte puissance, puis, pour des intensités instantanées décroissantes à partir de celle correspondant au point de croisement des deux caractéristiques non linéaires précitées, passe à travers ces premiers éléments redresseurs à très faible temps de recouvrement, pour passer enfin, en deçà du point de croisement de la caractéristique linéaire de la résistance de mesure et de la caractéristique de ces premiers éléments redresseurs, à travers cette résistance de mesure. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d'un exemple non limitatif de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: La figure 2 est un schéma de principe de ce dispositif de mesure du courant post-arc. La figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement du dispositif de mesure selon la figure 1. La figure 4 est un schéma, plus complet parce qu'applicable aux très forts courants, de ce même dispositif de mesure du courant post-arc. La figure 5 est un diagramme semblable à la figure 3, mais explicatif du fonctionnement du dispositif de mesure selon la figure 4, et La figure 6 est un schéma pratique d'implantation mécanique du dispositif de mesure selon la figure 4. En se référant à la figure 2, la résistance de mesure ou "shunt" R est placée en série avec le disjoncteur de puissance (non représenté) et est donc normalement prévue pour être traversée par le même courant I que ce dernier. Conformément au moyen général, connu en soi, décrit précédemment en référence à la figure 1, ce dispositif est prévu pour que cette résistance R soit, au cours de chaque alternance du courant alternatif I, toujours court-circuitée sauf autour et au voisinage des passages par zéro de ce courant I. Ce résultat est ici automatiquement obtenu par le fait que deux diodes redresseuses D1,D2, à temps de recouvrement extrêmement rapide, par exemple des diodes SCHOTTKY dont le temps de recouvrement est de l'ordre de la nanoseconde, sont branchees tête-bêche et en parallèles aux bornes de cette résistance R. Comme toutes les diodes de redressement courantes, ces diodes D1,D2 ont chacune une caractéristique directe tension/courant non linéaire et présentant un coude tel que la pente de cette caractéristique soit très grande pour les faibles courants et très faible pour les forts courants. La figure 3 est la courbe des caractéristiques "tension v/courant I" de la résistance B d'une part (courbe 1), et de l'une ou l'autre des diodes D1,D2 (courbe 2) d'autre part. La courbe caractéristique 1 est bien entendu une droite de pente R, tandis que la caractéristique 2 est une caractéristique nonlinéaire de diode de redressement présentant un coude 3 qui la sépare en deux parties, l'une à faible pente au delà de ce coude 3, et l'autre à forte pente en deçà de ce coude. Ces deux caractéristiques 1,2 se coupent en un point d'intersection A correspondant à une intensité de courant IA. Au delà de ce point d'intersection A, c'est à dire pour les valeurs du courant instantane qui sont supérieures à IA, la chute de tension qui serait due au passage hypothétique du courant dans la résistance R (partie en pointillés de la courbe 1) est bien supérieure à celle due au passage du courant dans la diode, D1 ou D2 selon le signe de l'alternance considérée, de sorte que la quasi-totalité du courant I passe dans cette diode (partie en trait plein sur la courbe 2). En deçà de ce point A, c'est à dire pour les courants instantanés d'intensité inférieure à IA, c'est le contraire qui se produit, et la quasi-totalité du courant I passe dans la resistance de mesure R, ce qui est finalement bien le résultat recherché conformément au moyen général selon la figure 1. Le schéma de principe selon la figure 2 nécessite l'utilisation, de diodes, de type SCHOTTKY, dont le temps de vie des porteurs de charge est extrêmement bref, sans quoi le courant de recouvrement des diodes utilisées rendrait la commutation au point A illusoire, et donc le fonctionnement qui vient d'être décrit pratiquement impossible. Or les diodes de type SCHOTTKY actuellement disponibles sont incapables de dissiper de très fortes puissances. Par ailleurs, leur branchement aux bornes de la résistance R crée nécessairement une boucle de réactance qui, comme on l'a vu précédemment, est très pénalisante pour la precision de la mesure. Pour permettre au dispositif de l'invention de fonctionner pour de forts courants tout en s'affranchissant à l'optimum des problèmes de réactance, le schéma électrique et mécanique pratiquement utilisé est celui correspondant respectivement aux figures 4 et 6. Ce schéma plus complet (figure 4) utilise d'une part des diodes SCHOTTKY Dl ,D2 montées, comme en figure 2, parallèles et têtebêche aux bornes de la résistance de mesure R, et d'autre part deux ensembles D3,D4 d'une part et D5,D6 d'autre part, de chacun deux diodes de puissance ordinaires montées en série, chacun de ces deux ensembles étant monté lui aussi aux bornes de la résistance R, parallèles et tête-bêche l'un par rapport à l'autre. Le réseau des caractéristiques, semblable à celui de la figure 3, qui correspond au schéma électrique de la figure 4, est représenté en figure 5 à une échelle sensiblement différente pour rester dans le cadre de la feuille. Pour se rendre compte de ce changement d'échelle, il suffit de considérer les caractéristiques 1 de la résistance R et 2 des diodes SCHOTTKY qui sont supposées être exactement les mêmes courbes qu'en figure 3. Chaque couple de diodes de puissance en série, D3,D4 ou D5,D6 possède une caractéristique globale 4 qui possède un coude 5 tel que cette caractéristique 4 vienne couper la caractéristique 2 des diodes SCHOTTKY en un point d'intersection B situé bien au delà du point A, et donc pour une intensité IB notablement supérieure à l'intensité IA précitée. C'est pour obtenir ce résultat qu'il est prévu au moins deux diodes, D3,D4 ou D5,D6, en série au lieu d'une seule, car avec une seule diode de puissance de type actuellement disponible, ce coude 5 serait beaucoup trop bas sur l'échelle des tensions v pour satisfaire à cette condition. En outre, ce qui ne pose pas de problème en pratique, ces diodes de puissance sont choisies de sorte que la forte pente (en deçà du coude 5) de la caractéristique 4 soit supérieure à la forte pente (en deçà du coude 3) de la caractéristique 2: de la sorte, la courbe 4 est au dessus de la courbe 2 pour les valeurs du courant I qui sont inférieures à IB. Le fonctionnement de l'ensemble de la figure 4 est alors le suivant: au cours d'une même alternance du courant I: - Pour les fortes valeurs instantanées, supérieures à IB, de ce courant I, la quasi-totalité du courant passe dans les diodes de puissance, D3,D4 ou D5,D6 selon le signe de cette alternance, car ctest elles qui ont la caractéristique (partie en trait plein de la courbe 4) de plus faible pente. - Lorsque cette intensité devient inférieure à IB, la caractéristique de plus faible pente devient la caractéristique 2 (partie en trait plein entre B et A), et la quasi-totalité du courant passe à travers la ou les diodes SCHOTTKY (D1 ou D2 selon 1 'alternance). Le temps de recouvrement relativement important des diodes de puissance D3,D4 ou D5,D6 autour du point de commutation A n' a aucune incidence sur la mesure du courant postarc qui n'est pas effectuée à ce moment la mais bien après. - Lorsque l'intensité du courant a suffisamment baissé pour atteindre la valeur IA précitée (point d'intersection et de commutation A), le fonctionnement est identique à celui selon la figure 3, et la quasi-totalité du courant passe dans la résistance de mesure R (partie en trait plein de la courbe 1). L'invention permet une réalisation avantageusement très compacte et de faible réactance propre, qui est schématisée en figure 6 en coupe axiale partielle et simplifiée. Ce dispositif de mesure a une allure générale de shunt coaxial, et il comporte de ce fait deux éléments tubulaires métalliques et concentriques 6,7 à travers lesquels le courant I circule en serie comme représenté et de façon en soi bien classique. Le tube intérieur 6 a son extrémité opposée au point d'entlée du courant I qui est fermée par un disque métallique coaxial 8 orthogonal à l'axe X et équipé d'une collerette extérieure et annulaire 9. De même, l'extrémité correspondante du tube extérieur 7 a un fond métallique ajouré comportant une cuvette coaxiale centrale de fond (10) entourée d'un anneau 11. Les diodes de puissance D3,D4 et D5,D6 sont branchées et serrées entre la collerette 9 et l'anneau 11 comme représenté. Les diodes SCHOTTKY Dl ,D2, au nombre de vingt diodes par exemple, sont disposées "en cage d'écureuil" entre les plaques métalliques parallèles 8 et 10. De même, la résistance de mesure R est composée de par exemple dix résistances disposées "en cage d'écureuil" entre ces mêmes plaques métalliques parallèles. Un fil métallique 12 est soudé au centre du disque 8, et il traverse sans contact le disque 10 dans une prise isolante 1 3. Un autre fil métallique 14 est soudé sur la plaque 10, la tension de mesure v étant prise finalement entre ces deux fils 12 et 14, enrobés dans le câble de sortie de mesure 15. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. C'est ainsi par exemple que d'autres éléments semi-conducteurs à caractéristique nonlinéaire pourraient être utilisées en lieu et place des diodes SCHOTTKY et/ou des diodes de fortes puissances. En particulier, l'invention n'exclut nullement l'utilisation de thyristors ou de transistors, bipolaires ou à effet de champ. Il conviendra alors, pour l'emploi de thyristors, de relier la gâchette à l'anode et pour l'emploi de transistors de relier la base ou la grille au collecteur ou au drain, selon qu'il s'agit respectivement de transistors bipolaires ou de transistors à effet de champ. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure du courant post-arc (Ip) d'un interrupteur ou disjoncteur électrique de puissance incorporé dans un circuit électrique alimenté en tension alternative, ce dispositif comportant au moins une résistance de mesure (R) de faible valeur qui est branchée en série avec cet interrupteur ou disjoncteur, des moyens étant prévus pour mesurer la tension (v) aux bornes de cette résistance (R), caractérisé en ce qu'il comporte en outre, afin de pratiquement court-circuiter cette résistance de mesure (R) en dehors d'un intervalle de temps (last) s'étendant de part et d'autre des instants (t1) de passage par zéro du courant alternatif (I) qui parcourt ce circuit électrique, au moins un couple (D1,D2) d'éléments redresseurs à semi-conducteurs de caractéristique directe tension/courant (2) non-linéaire présentant un coude (3), avec forte pente aux faibles courants et faible pente aux forts courants, et à temps de recouvrement negligeable, qui sont montés tête-bêche et en parallèle aux bornes de cette résistance de mesure (R), de sorte qu'aux faibles valeurs d'intensité instantanée du courant alternatif (I) la quasi-totalité de ce courant passe à travers cette résistance de mesure (R), tandis qu'aux plus fortes valeurs instantanées d'intensité, situées au delà du point de croisement (A,IA) de la caractéristique linéaire (1) de cette résistance de mesure et de ladite caractéristique directe nonlinéaire (2) de ces éléments redresseurs (D1,D2), la quasitotalité de ce courant (I) passe à travers l'un ou l'autre de ces derniers. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est en outre prévu, aux bornes de ce premier couple (D1,D2) d'éléments redresseurs, à très faible temps de recouvrement, au moins un autre couple parallèle et tête-bêche (D3,D4; D5,D6) d'éléments redresseurs, à semi-conducteurs aptes à supporter une plus forte intensité que ces premiers éléments (D1,D2) et pouvant avoir un temps de recouvrement non-négligeable, ces autres éléments redresseurs (D3,D4;D5,D6) ayant aussi une caractéristique directe tension/courant (4) non-linéaire et la pente aux forts courants est nettement plus faible que celle de ces premiers éléments redresseurs (D1,D2), et dont par ailleurs la tension au coude (5) est nettement supérieure à celle de ces premiers éléments redresseurs, de sorte que les caractéristiques directes (2,4) de ces deux sortes d'éléments redresseurs (D1,D2 et D3,D4;D5,D6) se croisent (B,IB) bien au delà du point de croisement précité (A,IA) de la caractéristique linéaire (I) de la résistance de mesure et de la caractéristique directe (2) de ces premiers éléments redresseurs et qu'alors la quasi-totalité du courant (I), pour ses valeurs de plus forte intensité instantanée, passe dans ces autres éléments redresseurs (D3,D4 ou D5,D6) , puis, pour des valeurs d'intensité instantanée décroissantes à partir de celle (IB) qui correspond au point de croisement (B) de ces deux caractéristiques, passe à travers ces premiers éléments redresseurs (D1,D2), pour passer enfin, en deçà du point de croisement précité (A,-IA) de la caractéristique (1) de la résistance de mesure et de celle (2) de ces premiers éléments redresseurs, a travers cette résistance de mesure. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ces éléments semi-conducteurs à très faible temps de recouvrement sont des diodes SCHOTTKY. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que cet autre couple comporte au moins deux ensembles redresseurs parallèles et tete-bêche dont chacun d'eux (D3,D4 ou D5,D6) est constitué par la mise en série de plusieurs diodes de forte puissance. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments redresseurs est constitué par un thyristor dont la gachette est reliée à l'anode. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments redresseurs est constitué par un transistor bipolaire dont la base est reliée au collecteur. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments redresseurs est constitué par un transistor à effet de champ dont la grille est reliée au drain. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a une structure coaxiale, et comporte deux tubes métalliques concentriques (6,7) servant à véhiculer le courant (I), ledit autre couple (D3,D4; D5,D6) d'éléments redresseurs étant positionner entre deux plaques de fond (9,11) orthogonales à l'axe commun (X) de ces tubes (6,7), et lesdits premiers éléments redresseurs (D1,D2) ainsi que ladite résistance de mesure (R) étant chacun constitué d'éléments multiples, chacun disposé selon des "cages d'écureuil" respectives coaxiales.