Brevet FR2697385A1 — publié le 19940429

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES ANOMALIES SUR LA LIGNE DE NEUTRE D'UN RESEAU ELECTRIQUE DESCRIPTION L'invention se rapporte à un dispositif de protection contre les anomalies sur la ligne de neutre d'un réseau électrique. Les réseaux électriques monophasés ou triphasés sont munis de disjoncteur s dont la fonction est de couper le réseau quand il est surchargé par une charge excessive ou pendant un court-circuit, mais qui sont inopérants quand des anomalies sur la ligne de neutre apparaissent, à cause d'une rupture de cette ligne, d'un contact avec un autre objet, ou de la mise de la ligne à un autre potentiel. Le potentiel de la ligne de neutre est alors modifié et devient généra lemen t flottant, c'est-à-dire qu'i I prend une valeur arbitraire déterminée en particulier par l'état actuel de charge du réseau par les appareils en service de l'ensemble des abonnes.Des surtensions sont a lors susceptibles d 'apparatre entre la ligne de neutre e t les lignes de phases du réseau, qui ont pour effet de détruire les appareils branchés su r le réseau. Des sous-tensions apparaissent également avec des conséquences néfastes si un appareil branché sur le réseau ne remplit plus sa fonction. Il existe des dispositifs dans lesquels on reconstitue un potentiel électrique continu ou un potentiel de neutre artificiel par un montage en étoile des phases, qu'on compare ensuite au potentiel du neutre. Le brevet français 2 671 240 décrit un exemple. Si une différence excessive apparaît entre la référence et le neutre, une ouverture du réseau est commandée par le disjoncteur ou un relais spécial. Mais ces dispositifs présentent certains inconvénients, et en particulier ils arrêtent le fonctionnement de la charge, qui ne peut être repris qu'après une intervention manuelle, même si le défaut cesse de lui - même. L 'invention concerne quant à elle un dispositif de protection d'un réseau électrique constitué par une ligne de neutre, au moins une ligne de phase et muni d'un disjoncteur, contre des tensions anormales du réseau dues à des anomalies de potentiel sur la ligne de neutre, comprenant un moyen de mesure des tensions anormaLes et un moyen d'ouvrir le disjoncteur quand des tensions anormales apparaissent, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de relier la ligne de neutre à un potentiel de terre et en ce que le moyen d'ouvrir le disjoncteur est conçu de façon à n'agir que si des tensions anormales subsistent quand la ligne de neutre est reliée au potentiel de terre. Le fonctionnement de la charge électrique du réseau est donc maintenu, du moins si la connexion du neutre à la terre suffit à éliminer les anomalies détectées .I I faut remarquer que le dispositif est utile aussi bien pour protéger des effets des surtensions que de ceux des sous-tensions, ce que ne f ont pas les dispositifs de coupure du disjoncteur. La ligne de neutre est de préférence agencée pour que seule une portion de cette ligne associée à la parti e du réseau où l'anomalie est détectée soit mise à la terre, ce qui évite de perturbe r l'ensemble du réseau si l'anomalie est originaire de cette partie et préserve l'indépendance des différents utilisateurs du réseau. Il est avantageux, afin d'éviter les commutations trop nombreuses, que le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre soit équipé d'une minuterie qui maintient la ligne de neutre au potentiel de terre pendant un temps minimal, cela afin d'éviter des commutations trop nombreuses qui seraient inévitables si le dispositif interprétait faussement les passages d'un neutre flottant au potentiel de terre comme des rétablissements d'un état normal sur la ligne de neutre. Il est encore avantageux que le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre soit équipé d'un temporisateur qui ne permette cette liaison que quand la ligne de neutre est à un potentiel voisin du potentiel de terre, cela afin d'éviter L'apparition d'arcs électriques ou de phénomènes analogues susceptibles d'endommager le réseau ou la charge. Ce moyen est don c e n fai t un détecteur de zéro. La temporisation est normalement brève et ne cause aucun dommage. Ces caractéristiques de L'invention ainsi que d'autres vont maintenant apparaître plus clairement aux commentaires des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif - la figure 1 représente un schéma général de l'installation, - la figure 2 représente un schéma du dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 représente le module d'alimentation électrique et de mesures, - la figure 4 représente le moyen de détection de la rupture de la ligne de neutre, - ta figure 5 représente le moyen de détection de zéro, - la figure 6 représente le moyen pour commander Le e raccordement de la ligne de neutre au potentiel de terre, - la figure 7 représente le moyen de déclenchement du disjoncteur, et - la figure 8 représente comment adapter le dispositif à la double détection des surtensions et des sous-tensions. La figure 1 représente un réseau électrique constitué par une ligne de neutre N et trois Ligne s de phases Phl, Ph2 et Ph3 qui se raccordent aux bornes d'une c ha rg e Q appartenant à un abonné du réseau. Il serait possible de mettre en oeuvre l'invention également pou r un réseau monophasé constitué par exemple de la ligne de neutre N et d'une seule ligne de phase telle que Phi. Le réseau est équipé, en amont de la charge Q, successivement d'un disjoncteur 1 différentiel, d'un compteur 2 et d'un coupe-circuit 3, et il est au-delà composé en particulier de ramifications pour d'autres abonnés.Le disjoncteur 1 comprend en particulier des interrupteurs 4 disposés sur chacune des lignes du réseau pour commander leur ouverture, ainsi qu'un bobinage différentiel 5 situé su r les ligne s du réseau et qui commande l'ouverture des interrupteurs 4 quand il produit un champ magnétique tota I non nul, ce qui arrive dès qu'un déséquilibre d'intensité de courant apparaît à travers les lignes, par exemple si une fuite à la terre existe sur une des lignes. Le dispositif conforme à l'invention est référencé par 6, et des lignes de raccord Rphl, Rph2 et RPh3 le relient aux lignes de phase Phl, Ph2 et Ph3, et une autre ligne de raccord RN menant au dispositif 6 est formée de deux branches reliées à la ligne de neutre LN, qui est interrompue entre les connexions de ces deux branches en amont du disjoncteur 1 et éventuellement du compteur 2. Cette disposition permet de ne pas modifier l'état de la ligne de neutre LN su r le reste du réseau quand le dispositif fonctionne, ce qui évite toute perturbation chez les autres abonnés du réseau si L'anomalie est purement locale et a une origine située en aval du disjoncteur 1.Il existe aussi une ligne de raccord RT entre le dispositif 6 et la terre T ; un interrupteur 7 de relais est contenu dans le dispositif pour connecter le raccord RT à la branche ava I du raccord RN, c'est-à-dire placer la ligne de neutre LN, du côté de la charge Q, au potentiel de la terre T puisque aucune résistance n'existe entre elles ; l'excitation d'une bobine 8 appartenant au relais est réalisée sous certaines conditions par l'intermédiaire des différences de tensions électriques entre les raccords RN, RPhl, RPh2 et RPh3 grâce aux éléments du dispositif 6 qu'on va maintenant décrire, ce qui a pou r conséquence le basculement de l'interrupteur 7, qui au repos ferme le raccord RN comme on l'a représenté. Outre le bobinage 8, le dispositif 6 est composé d'un certain nombre de cartes électriques schématisées sur la figure 2 : une carte d'alimentation 9 en courant continu, une carte de mesure 10 de surtensions reliée à la précédente, une carte de détection de rupture de neutre 11, une carte de temporisation de correction 12, une carte de correction 13 reliée aux t roi s précédentes, e t un e cart e de déclenchement du disjoncteur 14 reliée à la précédente et à la carte de mesure 10 ; le bobinage 8 est commandé par la carte de correction 13. Les cartes 10, 11, 12 et 13 ont des bornes de sortie respectivement référencées S, N, H et C qui vont servir à diviser le contenu de la figure 2 pour les commentaires des figures suivantes plus détaillées. La figure 3 représente donc la carte d'alimentation 9 et la carte de mesure 10, dont La première est alimentée par les raccords RN et RPh1 entre lesquels on trouve successivement en parallèle, une diode Transit 111 qui absorbe les surtensions à haute fréquence, un transformateur à saturation 112 qui écrête la tension à sa sortie, un pont redresseur 113, un condensateur 114 de filtrage, un voyant lumineux 115 en série avec une résistance et indicateur du bon état de l'alimentation, un régulateur de tension 116 et deux condensateurs 117 de filtrage en parallèle. Ces éléments ont pour effet global de transformer la tension sinusoidale entre les raccords RN et Phl en une tension presque parfaitement continue ayant la valeur d'alimentation VCC par rapport au potentiel de masse M ; VCC peut être égal à 12 volts.Cette tension continue sert à a limenter les autres cartes du dispositif 6, comme on le verra sur les figures suivantes. Le raccord RN est relié à la carte de mesure 10 par une ligne 18 qui lui est connectée entre le pont redresseur 113 et le condensateur 114. On y rencontre successivement un condensateu r 19 su r une dérivation pour un filtrage préliminaire, une résistance 20 et un condensateur 21 servant ensemble de fi litre passe-bas qui rejette les oscillations de f réquence supérieure à 100 Hertz. La ligne 18 aboutit à la masse M. Un potentiomètre 22 est disposé en parallèle au condensateur 21, et sa borne mobile est reliée à l'extrémité d'une ligne 23 qui aboutit à la borne positive d'un soustracteur 24 dont la borne négative est reliée à l'alimentation VCC par l'intermédiaire d'une autre ligne 25 muni e d'une résistance.Les lignes 23 et 25 sont aussi reliées à la masse M par l'intermédiaire de d iodes Zene r 26 et 27 qui ecrêtent les tensions jusqu'à des valeurs respectives de 12 et 6 volts, afin de ne pas surcharger le soustracteur 24 et de régler avec précision la valeur du déclenchement. Le soustracteur 24, en combinaison au réglage du potentiomètre 22, délivre une tension d'état logique 1 au point S de sortie lorsque la tension sur la ligne 23 est au moins égale à 6 volts, et une tension d'état logique 0 sinon. La carte de détection de rupture de neutre 11 est reliée (figure 4) aux raccords au neutre RN et à la terre T, et chacun de ces raccords porte un condensateur 28 identique afin de diviser la différence de potentiel entre eux. On trouve encore une ligne 29 entre l'alimentation VCC et La masse M ; la Ligne 29 est bifurquée et traverse un phototransistor entre le collecteur et l'émetteur.Les raccords RN et RT se rejoignent entre les condensateurs 28 par L'intermédiaire d'un potentiomètre 30 pour former deux boucles 31 dont chacune porte la photodiode d'un opto coupleur 32 à chacun desquels appartient un des phototransistors qu'on a juste menti onnés. Les optocoupleur s ont généralement comme propriété que leur p hototransistor devient passant dès qu'une tension suffisante existe aux bornes de leur photodiode, qui est voisine de la base des phototransistors, mais que les courants galvaniques sont totalement filtrés par de L ';soldant entre la photodiode et le phototransistor.Du courant peut alors librement circuler entre l 'alimentation VCC et la masse M par une branche ou l'autre de la ligne 29. On utilise deux boucles 31 et deux opto-coupleurs 32 uniquement parce que l'écoulement de courant doit être réalisé quel que soit le raccord RN et RT qui est au potentiel le plus élevé : les photodiodes des opto-coupleurs 32 sont donc opposées.Mais si la ligne de neutre N est au potentiel de terre T, les phototransistors son t tous deux bloquant, et le potentiel d'une ramification 33 de la ligne 29, qui bifurque pou r être branchée aux deux bornes d'entrée d'une porte NON-ET 34, s'élève pour produire un état logique 1 aux bornes d'entrée de cette porte 34, dont la borne de sortie (au point N) prend donc l'état logique 0, alors qu'elle est à l'état logique 1 quand l'un des phototransistor s est passant. Une résistance 35 parallèle à la porte NON-ET 34 permet d'accélére r le temps de montée aux états transitoires, en combinaison à un condensateur 36 reliant la ligne 33 à la masse M. La carte de temporisation 12 par détection de zéro illustrée à la figure 5 est également reliée aux raccords RN RN et RT et porte deux condensateurs identiques 37, identiques aux condensateurs 28 et placés comme eux. On retrouve encore une ligne 38 semblable à la ligne 29 et deux opto-coupleurs 39 situés comme les composants 32 à cheval sur une boucle respective entre les raccords RN et RT et sur une ramification vers la masse M de la ligne 38. Le but de cet agencement est encore de produire, selon qu'un des phototransistors des opto-coupleurs 39 est passant ou non, un état logique 1 ou O dans une ramification 40 de la ligne 38, qui est branchée à une borne d'entrée d'une autre porte NON-ET 41, dont toutefois l'autre borne d'entrée est reliée au point C. La borne de sortie de la porte NON-ET 41 est reliée aux deux bornes d'entrée d'une autre porte NON-ET 42 qui joue donc le rôle d'inverseu r et dont la borne de sortie est reliée au point H, dont l'état logique est égal à 1 seulement si le point C est à l'état logique 1 et les raccords RN et RT sont sensiblement au même potentiel électrique. On va maintenant passe r aux commentaires de la carte de correction 13 à l'aide de La figure 6. Les points S et N sont reliés aux bornes d'entrée d'une porte NON-ET 43 dont la borne de sortie est reliée aux deux bornes d'entrée d'une seconde porte NON-ET 44. La borne de sortie de cette dernière détermine l'état logique du point C et est également branchée à une borne d'entrée d'une bascule 45. Cet état logique est égal à 1 seulement si S et N sont également à l'état logique 1, c'est-à-dire si un e rupture de neutre est constatée en même temps qu'une surtension : une modification de l'état du réseau est nécessaire pour protéger la charge Q. Or le point H est relié à une autre borne d'entrée de la bascule 45.Dès qu'i I prend l'état logique 1, un signal positif est produit dans une ligne 46 à la sortie de la bascule 45, ce qui rend passant un transistor 47 branché entre l'alimentation VC C et la mass e M en série avec le bobinage 8. Le bobinage 8 est donc excité, ferme l'interrupteur 7 et me t la ligne de neutre L N a u potent i e I d e te r r e T. L'émetteur du transistor 47 est également relié à un voyant lumineux 48, à un oscillateur 49 e t à une minuterie 50. Le voyant lumineux 48 renseigne sur l'apparition d'un état anormal corrigé, l'oscillateur 49 alimente un avert isseur sonore 51 (qui peut cependant être débranché en ouvrant un interrupteur manuel 52) et la minuterie 50 est réglée pour produire sur sa ligne de sortie 53 une impulsion de remise à zéro après un temps déterminé et réglé à volonté, compté à parti r de l'apparition du signal positif dans la ligne 46 et qui peut être de quelques heures. L'impulsion abouti t à la base d'un transistor 54 branché entre la tension d'alimentation VCC et la masse M e t le rend passant, mai s le même effet peut être réalisé en appuyant sur un bouton de remise à zéro 55 situé en parallèle au transistor 54. Une borne d'initialisation de la bascule 45 est alors reliée à l'alimentation VCC, ce qui a pour effet de rendre la ligne 46 inactive et de ne plus alimenter le bobinage 8. On revient cependant à l'état précédent immédiatement si l'état logique 1 subsiste aux points H, S et N. On passe maintenant aux commentaires de la figure 7 et de la carte de déclenchement 14. Le point N est relié aux deux bornes d'entrée d'une porte NON-ET 60 jouant le rôle d'inverseur et qui aboutit, concurremment au point C, à une borne d'entrée d'une autre porte NON-ET 61 dont l'autre borne d'entrée est reliée au point S. La borne de sortie de cette autre porte NON-ET 61 est reliée aux deux bornes d'entrée d'une troisième porte NON-ET 62 dont la borne de sorti e est relié e à un e ligne 63 qui port e successivement une résistance 64 et les photodiodes de deux composant s M OC 65 (analogues aux opto-coupleurs déjà rencontrés) avant d'aboutir à la masse M. Les phototransistor s des composants MOC sont reliés chacun par leur émetteur à une borne d'un composant Tria c 66 respectif établi par ailleurs su r une ligne 67 qui s'étend entre la terre T et les raccords aux lignes de phase RPhl et RPh2, et par leur collecteur aux raccords RPhl : ils sont en fait situés sur des dérivations des lignes 67. L'apparition d'un état logique 1 sur la ligne 63 a pou r effet de rendre les phototransistors passantes, ainsi que les composants T r i a c 66, et de faire circuler du courant dans les lignes 67, qui sont cependant chacune équipées d'une diode 68 qui empêche de créer des courts-circuits en bloquant une alternance sur deux du courant. Les lignes 67 pourraient aussi être toutes deux reliées à une même phase, par exemple au raccord RPh1, ce qui est d'ailleurs obligatoire pour les réseaux monophasés. Il convient alors de placer les diodes 68 tête-bêche pour que les deux lignes 67 ne soient pas actives en même temps. Des résistances 77 sont placées sur les lignes 67 pour limiter L'intensité du courant qui y circule.Cet état de déclenchement n'est produit que si une surtension existe sur le réseau (S=1) et que soit il n'y a pas de rupture de neutre (N=0) soit une correction est déjà demandée (C=1), c'est-à-dire quand le reste du dispositif, et n notamment les éléments qui commandent la carte de correction 13, est impuissant à éliminer la surtension en connectant la ligne de neutre LN à la terre T.La mise à la terre d'une des lignes de phase Phl ou Ph2 a pour effet d'exciter le bobinage différentiel du disjoncteur 2 et de couper ce dernier. Pour éviter toutefois que la carte de déclenchement 14 ne produise la mise des phases Phi et Ph2 à la terre T prématurément, avant que le bobinage 8 ne puisse être excité par la carte de correction 13 à cause de la nécessité d'attendre l'état logique 1 au point H, un temporisateur est installé en parallèle à la troisième porte NON-ET 62 et à la résistance 64 : il s'agit d'une ligne 69 su r laquelle on trouve successivement une résistance 70, et la base et le collecteur d'un transi sto r 71 . L'émetteur est re li é à la masse M, de même qu'une borne d'un condensateur 72 dont L'autre borne est reliée à la ligne 69 entre le collecteur du transistor 71 et le raccord à la ligne 63. Le dispositif 6 peut évidement être rendu sensible à plusieurs phases à la fois : il faut alors disposer de plusieurs cartes de mesure 10, dont chacune est branchée au raccordement au neutre RN et au raccordement RPh de la phase choisi e ; les soustracteurs 24 de chaque carte de mesure 10, associés à chaque phase, aboutissent au même point S, et le reste du dispositif 6 n'est pas modifié. Les éléments de la carte d'alimentation 9 devraient aussi être reproduits selon le nombre de p hases. Et si la tension d'alimentation VCC est aussi branchée à la borne positive d'un second soustracteur 24' voisin du précédent 24, et la ligne 23 branchée à sa borne négative, on obtient une carte de mesure 10' sensible également aux sous-tensions entre la ligne de neutre LN et la ligne de phase choisie. Les bornes de sortie des deux soustracteurs 24 et 24' se rejoignent au point S. Le dispositif est représenté à la figure 8. Certains éléments secondaires du dispositif 6, résistances, diodes, condensateurs ou autres, sont encore représentés Mais leur rôle est secondaire et peut être facilement compri s par l'homme du métier d'après leur position. Ils ne font donc pas l'objet de commentaires particuliers. REVENDICATIONS 1. Dispositi f (6) de protection d'un réseau électrique constitué par une ligne de neutre (LN), au moins une ligne de phase (Ph) et muni d'un disjoncteur (2), contre des tensions anormales du réseau dues à des anomalies de potentiel sur la ligne de neutre, comprenant un moyen de mesure (10) des tensions anormales et un moyen d'ouvrir (14) le disjoncteur quand des tensions anormales apparaissent, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (13, 8) de relier la ligne de neutre à un potentiel de terre (T) et en ce que le moyen d'ouvri r le disjoncteur est conçu de façon à n'agir que si des tensions anormales subsistent quand la ligne de neutre est reliée au potentiel de terre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre est équipé d'une minuterie (50) qui maintient la ligne de neutre au potentiel de t erre pendant un temps minimal. 3. Dispositi f selon l'un e quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre est équipé d'un moyen de détection de zéro (12) qui ne permet de relier la ligne de neutre au potentiel de terre que quand la ligne de neutre est à un potentiel voisin du potentiel de terre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de mesure, le moyen d'ouvrir le disjoncteur et le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre sont conçus pour fonctionner en présence de sous-tensions du réseau comme de surtensions. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de mesure des surtensions ou des sous-tensions comprend un filtre (26, 27) d'absorption de surtensions ou de soustension s transitoires. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen de mesure, le moyen d'ouvrir le disjoncteur et le moyen de relier la ligne de neutre au potentiel de terre comprennent des circuits logiques convertissant des états de fonctionnement du réseau et desdits moyens en états de logique binaire. 7. Dispositif selon l'unie quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen d'ouvrir le disjoncteur est conçu pour exciter un bobinage différentiel (5) du disjoncteur (2). 8. Dispositif selon l'un e quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le raccord à la ligne de neutre (LN) est composé de deux branches reliées à la ligne de neutre (LN) à des endroits entre lesquels la ligne de neutre est interrompue, le moyen pour relier la ligne de neutre au potentiel de terre étant conçu pour ne relier qu'une portion de la ligne de neutre associée à une partie du réseau dudit potentiel de terre.