Brevet FR2675320A1 — publié le 19921016

Ensemble de protection d'une ligne d'énergie. La présente invention porte sur la protection des lignes d'énergie contre les surtensions transitoires élevées d'origine foudre ou électromagnétique, pour la protection résultante des installations alimentées par ces lignes. Les dispositifs de protection des lignes d'énergie sont en tant que tels connus. Ils sont de manière générale constitués en plusieurs étages successifs de protection. Le document FR-A-2 583590 notamment décrit un tel dispositif à deux étages de protection. Dans le dispositif selon ce document, le premier étage est destiné à écouler la majeure partie de l'énergie incidente due à une perturbation sur la ligne. Il comporte essentiellement un parafoudre, ainsi qu'une inductance de découplage avec le deuxième étage. Ce deuxième étage est quant à lui destiné à assurer un filtrage fin supplémentaire de l'énergie résiduelle de la perturbation. Il comporte un système de filtrage capacitif, à deux semi-conducteurs de puissance polarisés en sens inverse l'un de l'autre et à deux condensateurs de capacité élevée chacun en série avec l'un des semi-conducteurs de puissance. Ces deux condensateurs sont chargés sensiblement à la valeur de crête des alternances positives et négatives de la tension sur la ligne. En l'absence de perturbation sur la ligne, ces semi-conducteurs de puissance sont normalement bloqués. Ils sont simplement traversés par un faible courant de fuite permettant le maintien de la charge des condensateurs à la valeur de crête de la tension de la ligne. Ils sont par contre conducteurs lors d'une perturbation sur la ligne, pour que celle-ci soit emmagasinée dans l'un et/ou l'autre des condensateurs, selon sa polarité. Dans le dispositif, des résistances de décharge sont associées aux condensateurs, pour permettre le retour de leur charge à la valeur de crête normale de la tension sur la ligne, après le passage d'une perturbation. Le deuxième étage peut en outre être suivi d'un étage supplémentaire terminal, indépendant des deux premiers, constitué par une cage de Faraday. Ces deux premiers étages sont couplés à l'étage terminal par l'intermédiaire d'un condensateur de traversée. L'étage de filtrage capacitif, rendu actif par les semi-conducteurs de puissance fonctionnant en commutateurs commandés avec le niveau du signal sur chaque conducteur de ligne, est particulièrement efficace et satisfaisant, mais il arrive parfois qu'il ne soit plus opérationnel du fait notamment d'une détérioration de l'un de ses composants ou d'un défaut sur l'un d'eux, auquel cas il n'assure plus du tout la protection attendue. La présente invention a pour but de garantir que la protection attendue soit réellement assurée en permanence, de façon que les installations alimentées soient toujours protégées. L'ensemble de protection selon la présente invention, à dispositif de protection d'une ligne d'énergie du type précité, est caractérisé en ce qu'il comporte en outre, un détecteur associé à chaque semi-conducteur de puissance dans ledit dispositif de protection et sensible au courant traversant le semi-conducteur auquel il est associé, et un dispositif de surveillance de la protection assurée couplé audit dispositif de protection et comprenant une première unité de contrôle de la tension aux bornes de chacun desdits condensateurs, à deux premières entrées couplées aux deux condensateurs, comparant leur tension à un premier seuil de référence traduisant une valeur minimale de charge desdits condensateurs pour des conditions normales de fonctionnement dudit dispositif de protection, une deuxième unité de détection de passage d'un courant de fuite minimal à travers chacun desdits semi-conducteurs de puissance, à deuxièmes entrées couplées aux détecteurs individuels associés aux semi-conducteurs de puissance, et une troisième unité de signalisation couplée auxdites première et deuxième unités, pour déclencher une signalisation lorsque la tension aux bornes de l'un ou l'autre des condensateurs est inférieure audit premier seuil ou lors d'une non détection dudit courant de fuite minimal à travers l'un ou l'autre desdits semi-conducteurs de puissance. Cet ensemble de protection selon l'invention présente en outre au moins l'une des particularités suivantes - ladite première unité comporte un premier amplificateur différentiel sommant les tensions de polarité opposée reçues sur lesdites premières entrées, et un deuxième amplificateur différentiel, de comparaison du signal de sommation délivré par le premier amplificateur différentiel audit premier seuil de référence; - ladite deuxième unité comporte deux troisièmes amplificateurs différentiels chacun d'une part couplé à l'une des deuxièmes entrées et d'autre part recevant un deuxième seuil de référence traduisant ledit courant de fuite minimal;; - lesdites première et deuxième unités comportent des interrupteurs à commande manuelle reliés à leurs entrées respectives, pour simuler un défaut sur le condensateur ou le semi-conducteur correspondant, et ladite troisième unité une commande manuelle d'inhibition de ladite signalisation; - une horloge de test dans ladite troisième unité assure une surveillance périodique de la protection assurée par ledit dispositif de protection; - une quatrième unité dans le dispositif de surveillance est couplée aux deux entrées de la deuxième unité et affectée à la détection d'une perturbation sur ladite ligne et à une commande d'inhibition pendant une durée limitée définie de ladite signalisation. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après d'un exemple de réalisation illustré dans les dessins ci-annexés dans lesquels - la figure l représente un ensemble de protection d'une ligne d'énergie, selon la présente invention, - la figure 2 représente un dispositif dit de surveillance de protection, appartenant à l'ensemble de protection de la figure 1. Dans l'ensemble de protection selon l'invention de la figure 1, la protection contre les surtensions transistoires élevées de chacun des conducteurs tels que 1 d'une ligne d'énergie monophasée ou polyphasée est assurée par un dispositif de protection 2 de type connu. Ce dispositif de protection 2 est relié au conducteur 1. Un fil de terre 3 est associé au dispositif 2. Ce dispositif de protection est montré constitué par un premier étage à parafoudre 4, destiné à écouler à la terre la majeure partie de l'énergie incidente due à une perturbation sur le conducteur 1 et par un deuxième étage de filtrage de l'énergie résiduelle due à la perturbation. Le premier étage comporte également une inductance 5 de découplage avec le deuxième étage. Le deuxième étage comporte deux condensateurs 6 et 7 de capacité élevée et deux diodes de puissance 8 et 9, ou des semi-conducteurs de puissance équivalents, fonctionnant en interrupteurs commandés par le niveau de signal sur le conducteur 1 après le premier étage. Ces diodes de puissance 8 et 9 sont polarisés en sens inverse l'une de l'autre pour les deux polarités de la tension sur le conducteur 1 qu'elles reçoivent. Chacune d'elles est en série avec l'un des condensateurs et se débloque lors d'une perturbation, selon sa polarité. Ces deux condensateurs ont leur autre borne reliée au fil de terre 3. Dans ce dispositif de protection les condensateurs 6 et 7 sont initialement chargés à la valeur de crête de la tension de ligne à travers un circuit de charge non représenté, fermé sur la ligne et limitant le courant de charge. Une résistance de décharge 10 est montée entre les deux condensateurs, et une varistance 11 ou 13 est montée en série avec une autre résistance 12 ou 14 entre les bornes de chacun des condensateurs, pour ramener la charge des condensateurs à la valeur préalable normale après le passage d'une perturbation emmagasinée dans l'un et/ou l'autre d'entre eux. Ces mêmes résistances ont également pour effet de provoquer une légère décharge de chacun des condensateurs pendant l'une à l'autre des alternances du signal de tension sur le conducteur 1. Chaque condensateur est alors rechargé à la valeur de crête au cours de l'alternance qui suit, par un courant de fuite à travers la diode de puissance en série avec lui. Une capacité de traversée 15 relie le bottier de protection éventuellement à un autre boitier tel qu'une cage de Faraday. Selon la présente invention, deux sondes de courant 18 et 19, sensibles au courant de fuite traversant les diodes de puissance, sont montées dans l'étage de filtrage du dispositif de protection 2, et un dispositif de surveillance 20 de la protection réellement assurée par le dispositif 2 est couplé aux deux sondes 18 et 19 ainsi qu'aux points 16 et 17 et au fil de masse 3, aux bornes des condensateurs 6 et 7. Dans le dispositif de protection 2, chacune des sondes 18 et 19 est par exemple un tore ou une bobine, monté autour de l'une des liaisons de chacune des diodes de puissance dans l'étage de puissance. Cette liaison est en particulier celle de couplage de là diode de puissance au conducteur 1 de la ligne, après le premier étage à parafoudre 4 et l'inductance de découplage 5. La figure 2 montre un exemple de réalisation de ce dispositif de surveillance 20. Il comporte une unité 21 de contrôle de tension aux bornes des deux condensateurs 6 et 7 précités, une unité 22 de détection de passage d'un courant de fuite dans les deux diodes de puissance précitées 8 et 9, une unité de signalisation 23, couplée aux deux unités précédentes 21 et 22, et un circuit de remise à zéro 24 de l'unité 23 lors d'une perturbation sur le conducteur précité 1. On a désigné sur les figures 1 et 2 les entrées du dispositif de surveillance 20 par 26 et 27 pour celles de l'unité 21 recevant le niveau de charge par rapport à la masse des deux condensateurs, et par 28 et 29 pour celles de l'unité 22 qui reçoivent une tension traduisant la valeur du courant de fuite détecté par les sondes. L'unité 21 de contrôle de la tension aux bornes des deux condensateurs comporte un amplificateur différentiel 30 dont l'entrée positive et l'entrée négative sont reliées aux deux entrées 26 et 27, chacune à travers un pont diviseur à deux résistances 31 et 32 ou 33 et 34 selon l'entrée 26 ou 27 considérée. Cet amplificateur différentiel 30 somme les charges de polarité opposée des deux condensateurs couplés au même conducteur de la ligne. Sa sortie est reliée à l'une des entrées d'un autre amplificateur différentiel 35 fonctionnant en comparateur et recevant sur sa deuxième entrée une tension de référence de comparaison VC. Cette tension de référence VC traduit le double de la valeur minimale de tension devant exister en permanence aux bornes de l'un ou l'autre des condensateurs.La sortie de cet amplificateur de comparaison est au niveau logique "1" lorsque le signal qu'il reçoit de l'amplificateur sommateur est inférieur à la tension de référence VC, elle indique alors que la charge de l'un ou l'autre des condensateurs ou des deux est anormalement trop faible. Deux interrupteurs à commande manuelle 36 et 37, ou deux touches de commande, sont interposés entre les entrées 26 et 27 et l'amplificateur sommateur 30, pour l'ouverture à volonté de l'une ou l'autre des liaisons correspondantes. L'unité 22 de détection de passage de courant de fuite à travers les deux diodes de puissance comporte un amplificateur 41 ou 42 couplé à chacune des entrées 28 et 29 et un amplificateur différentiel de comparaison 43 ou 44 relié à chacun des amplificateurs 41 et 42. Chacun des amplificateurs différentiels 43 et 44 reçoit un seuil de référence VD traduisant un courant de fuite minimal à travers la diode de puissance correspondante. La sortie de chacun des amplificateurs de comparaison 43 et 44 est mise au niveau logique "1" lorsque le signal reçu de l'amplificateur amont 41 ou 42 est supérieur au seuil VD. Chacun des amplificateurs de comparaison 43 et 44 est relié à une bascule 45 ou 46 dont la sortie est mise à "1" avec la sortie de l'amplificateur de comparaison correspondant 43 ou 44. Comme dans l'unité 21, deux interrupteurs à commande manuelle 48 et 49 sont interposés entre chacune des entrées 28 et 29 et l'amplificateur 41 ou 42. L'unité de signalisation 23 comporte une première porte logique ET 51 à deux entrées couplées aux sorties des deux bascules 45 et 46, une deuxième porte logique ET 52 également à deux entrées l'une couplée à la sortie de la première porte ET 51 à travers une porte inverseuse 53 et l'autre à une horloge 54 délivrant des impulsions de test H, et une porte logique OU 55 à deux entrées couplées l'une à la sortie de la deuxième porte ET 52 et l'autre à la sortie de l'amplificateur de comparaison 35. Une bascule 56 est reliée et commandée par la sortie de cette porte OU 55. Elle commande elle-même une signalisation 57 qui lui est reliée.Cette signalisation 57 est déclenchée par le niveau logique "1" de sortie de la bascule 56, c'est à dire lorsque la sortie de l'amplificateur de comparaison 35 est à "1" ou que la sortie de l'une ou l'autre des bascules 45 et 46 est à "O" à l'arrivée d'une impulsion de test H de l'horloge 54. Dans l'unité 23 de signalisation, un circuit de retard 58 relie l'horloge 54 à l'entrée de remise à zéro notée RAZ de l'une et l'autre des bascules 45 et 46 de l'unité 22. Dans le dispositif de surveillance 20, l'unité 24 de remise à zéro détecte quant à elle le passage d'une perturbation sur la ligne d'énergie et alors assure une remise à zéro du dispositif de surveillance 20. Cette unité 24 comporte deux amplificateurs différentiels 61 et 62, dont l'une des entrées est reliée à l'entrée 28 ou 29 selon la polarité du signal correspondant, à travers l'interrupteur 48 ou 49, et l'autre reçoit un seuil de référence de comparaison VF significatif d'une perturbation sur la ligne, par exemple lors d'un coup de foudre. La sortie de chacun de ces deux amplificateurs de comparaison est au niveau logique "1", quand le signal de l'entrée 28 ou 29 est supérieur au seuil VF. Une porte logique OU 63 reliée à leurs deux sorties commande une bascule 64 dite de remise à zéro. Un circuit temporisateur 65 relie la sortie de cette bascule 64 à l'entrée de remise à zéro RAZ de la bascule 56 de commande de la signalisation 57. Une commande manuelle 59 est également reliée à l'entrée RAZ de la bascule 56 pour sa remise à zéro. Des valeurs numériques sont indiquées ci-après à titre d'exemple - la période des impulsions H de l'horloge de test 54 est choisie de 8s, elle correspond à 400 alternances d'un courant alternatif à 50 Hz sur la ligne d'énergie, - le retard introduit par le circuit 58 est choisi de 8ms, - la temporisation du circuit 65 est de 53 s, - les seuils de référence sont VC = 8V, VD = I V, et VF = 9V. La signalisation 57 peut être lumineuse et/ou sonore. Sa commande, alors que les interrupteurs 36, 37, 48 et 49 sont fermés, traduit une anomalie dans le dispositif de protection 2 qui n'est plus opérationnel et nécessite une intervention. Dans la signalisation 57, un voyant global non représenté est associé aux interrupteurs 36, 37, 48 et 49 pour indiquer l'ouverture de l'un ou l'autre d'entre eux ou un défaut provenant de l'entrée. Ces interrupteurs 36, 37, 48 et 49 permettent, en ouverture, de simuler un défaut sur le composant du dispositif de protection 2 auquel est reliée l'entrée correspondante 26, 27, 28 ou 29, dans une procédure d'autotest du dispositif de surveillance 20, à partir d'un clavier sur lequel sont regroupés ces interrupteurs. Ainsi l'ouverture de l'interrupteur 36 simule un défaut de charge du condensateur 6 (figure 1) pour lequel le voyant de signalisation 57 s'allume. Par la fermeture de l'interrupteur et la commande manuelle de remise à zéro 59 ce voyant est éteint. Si pour ce test, la signalisation ne se déclenche pas, il y a lieu d'intervenir sur le dispositif de surveillance alors lui-même défailant. Cette procédure d'autotest se repète de manière analogue par chacun des autres interrupteurs 37, 48 et 49. En fonctionnement normal, hors de cette procédure d'autotest, les interrupteurs sont fermés. Un défaut sur l'un des composants du dispositif de protection donne lieu au déclenchement du voyant de signalisation, comme pour un défaut simulé. Dans le dispositif de surveillance 20, l'unité de remise à zéro 24 évite le déclenchement intempestif de la signalisation pendant le passage de la perturbation mais rend la surveillance opérative après son passage, dès que la temporisation du circuit 65 est écoulée. La présente invention a été décrite en regard de l'exemple de réalisation illustré. I1 est évident que le dispositif de protection montré en liaison avec l'un des conducteurs de phase de la ligne d'énergie peut comporter deux condensateurs et leurs deux diodes de puissance ou autres semi-conducteurs de puissance analogues, pour chacun des différents conducteurs de phase d'une ligne polyphasée ou comporter deux condensateurs pour l'ensemble des conducteurs de phase auxquels sont associées deux diodes de puissance ou analogues pour chacun des conducteurs de phase de la ligne. Le dispositif de surveillance comporte en conséquence une voie de surveillance du courant de fuite à travers chacune des différentes diodes de puissance et une voie de surveillance de la tension aux bornes de chaque couple de condensateurs. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de protection d'une ligne d'énergie, comportant un dispositif de protection à étage de filtrage relié à ladite ligne et comprenant deux condensateurs chargés sensiblement à la valeur de crête de la tension de ladite ligne et reliés par deux semi-conducteurs de puissance polarisés en sens inverse l'un de l'autre à chaque conducteur de ladite ligne, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un détecteur (18, 19) associé à chaque semi-conducteur de puissance dans ledit dispositif de protection (2) et sensible au courant traversant le semi-conducteur auquel il est associé, et un dispositif de surveillance de la protection assurée (20) couplé audit dispositif de protection et comprenant - une première unité (21) de contrôle de la tension aux bornes de chacun desdits condensateurs, à deux premières entrées (26, 27) couplées aux deux condensateurs (6, 7), comparant leur tension à un premier seuil de référence (VC) traduisant une valeur minimale de charge desdits condensateurs pour des conditions normales de fonctionnement dudit dispositif de protection, - une deuxième unité (22) de détection de passage d'un courant de fuite minimal à travers chacun desdits semi-conducteurs de puissance, à deuxièmes entrées (28, 29) couplées aux détecteurs individuels associés aux semi-conducteurs de puissance (8, 9), - et une troisième unité de signalisation (23) couplée auxdites première et deuxième unités (21, 22), pour déclencher une signalisation (57) lorsque la tension aux bornes de l'un ou l'autre des condensateurs est inférieure audit premier seuil (VC) ou lors d'une non détection dudit courant de fuite minimal à travers l'un ou l'autre desdits semi-conducteurs de puissance. 2 - Ensemble de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première unité (21) comporte un premier amplificateur différentiel (30), sommant les tensions de polarité opposée reçues sur lesdites premières entrées, et un deuxième amplificateur différentiel (35), de comparaison du signal de sommation délivré par le premier amplificateur différentiel audit premier seuil de référence. 3 - Ensemble de protection selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite première unité (21) comporte, en outre, un premier interrupteur à commande manuelle (36, 37) sur chacune desdites premières entrées (26, 27), simulant en ouverture un défaut sur le condensateur correspondant. 4 - Ensemble de protection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite deuxième unité (22) comporte des troisièmes amplificateurs différentiels (43, 44), chacun d'une part couplé à l'une des deuxièmes entrées (28, 29) et d'autre part recevant un deuxième seuil de référence (VD) traduisant ledit courant de fuite minimal. 5 - Ensemble de protection selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite deuxième unité (22) comporte, en outre, un deuxième interrupteur à commande manuelle (48, 49) monté sur chacune desdites deuxièmes entrées (28, 29), similant en ouverture un défaut sur le semi-conducteur de puissance correspondant. 6- Ensemble de protection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite troisième unité (23) comporte une première bascule (56) de commande de ladite signalisation (57) et des portes logiques (51, 52, 53, 55) de couplage desdites première et deuxième unités (21, 22) à ladite première bascule pour sa propre commande. 7 - Ensemble de protection selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite première bascule est couplée à une commande manuelle (59) de remise à zéro. 8 - Ensemble de protection selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite troisième unité (23) comporte, en outre, une horloge de test (54), d'impulsions de test (H) de période multiple de celle du courant sur ladite ligne, reliée à au moins l'une desdites portes logiques de commande de ladite première bascule (56). 9 - Ensemble de protection selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite deuxième unité (22) comporte, en outre, des deuxièmes bascules de sortie (45, 46), mémorisant la non-détection de passage dudit courant de fuite minimal dans les semi-conducteurs de puissance, respectivement, remises à zéro chacune par un circuit de retard (58) couplé à ladite horloge de test (54). 10 - Ensemble de protection selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit dispositif de surveillance (20) comporte, en outre, une quatrième unité (24) de détection d'une perturbation sur ladite ligne, comportant des comparateurs (61, 62) chacun relié à l'une desdites deuxièmes entrées (28, 29) de ladite deuxième unité (22) et recevant un troisième seuil de référence (VF) traduisant une perturbation, et un circuit de mémorisation et temporisation (64, 65) couplé aux dits comparateurs, commandant l'inhibition de ladite signalisation (57), lors de la détection d'une pertubation.