Brevet FR2696591A1 — publié le 19940408

DISPOSITIF D'OUVERTURE D'UN DISJONCTEUR EN CAS D'ANOMALIE SUR UNE LIGNE DE NEUTRE DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif d'ouverture d'un disjoncteur en cas d'anomalie sur une ligne de neutre passant par ce disjoncteur. Les disjoncteurs électriques traditionnels sont prévus pour s'ouvrir en cas de court-circuit ou de surcharge du réseau électrique en aval du disjoncteur, du côté de l'abonné, c'est-à-dire quand une intensité trop importante passe par les Lignes. Certains disjoncteurs, appelés "différentiels", sont également conçus pour s'ouvrir dès qu'un déséquilibre de courant apparaît entre deux lignes d'alimentation de l'abonné, notamment quand une fuite à La terre existe. Tous ces disjoncteurs restent inactifs quand une anomalie apparat sur la ligne de neutre, ce qui peut cependant avoir de graves conséquences si le neutre devient fLottant, c 'est-à-dire quand il prend un potentiel électrique arbitraire, déterminé par les appareils en servi ce chez d'autres abonnés du réseau électrique, car des surtensions, qui peuvent détruire les appareils électriques en marche, résultent de cette situation. Il existe des dispositifs d'ouverture du réseau électrique qui complètent Le disjoncteur et agissent dès qu'une variation significative du potentiel de la ligne neutre est détectée. Ces dispositifs comportent un circuit électrique de comparaison du potentiel de la ligne de neutre à un point de potentiel neutre reconstitué par un montage en étoile des phases, par l'intermédiaire de résistances électriques, mais ces dispositifs sont beaucoup moins satisfaisants en pratique qu'en théorie car Les résistances du commerce ont des tolérances de fabrication qui ne permettent pas une reconstitution suffisamment précise et stable du neutre. L'invention est fondée sur une idée différente pour détecter l'apparition d'anomalies sur la ligne de neutre, et le moyen caractéristique consiste en un circuit électrique reliant la ligne de neutre à un potentieL de terre, ce circuit étant constitué de façon à exciter la bobine de déclenchement responsable de l'ouverture du disjoncteur. L'idée peut être mise en oeuvre de deux façons assez différentes : la première consiste à faire passer le circuit à travers la bobine de décLenchement pour l'exciter en y faisant passer un courant électrique, et L'autre consiste à susciter dans les lignes que Le disjoncteur peut interrompre un état d'excitation de la bobine de déclenchement par induction électromagnétique, c'est-à-dire conformément au processus ordinaire de fonctionnement du disjoncteur. Si le disjoncteur est différentiel, le moyen de susciter L'état d'excitation peut consister en une mise à La terre d'au moins une des lignes concernées pou r produire une différence d'intensité de courant entre Les lignes. Le circuit éLectrique peut être incorporé à un disjoncteur du commerce, selon la première réalisation, ou situé dans un boitier mobiLe et muni aLors d'un fiL électrique de connexion à une prise à t rois voies sur Laquelle La ligne de neutre, une ligne de phase et le potentieL de terre sont branchés, comme la seconde réaLisation Le permet. D'autres détails avantageux de mise en oeuvre de l'invention et d'autres caractères originaux vont maintenant apparaStre aux commentaires des figures suivantes annexées à titre iLLustratif et non limitatif - La figure 1 représente un schéma de disjoncteur ordinaire pour un réseau monophasé, - La figure 2 représente un disjoncteur modifié conformément à l'invention, - la figure 3 représente un perfectionnement de la figure 2, sur un disjoncteur triphasé, - et Les figures 4 et 5 représentent deux autres réalisations de l'invention. Le disjoncteur de La figure 1 est associé à un réseau formé d'une Ligne de neutre N et une ligne de phase Ph qui passent à travers Lui et comportent chacune un interrupteur 1, un relais magnétothermique 2 et une bobine différentielle 3 de ce disjoncteur. Les relais magnétothermiques 2 commandent L'ouverture des interrupteurs 1 dès qu'une surcharge apparat sur le circuit. Les bobines différentielles 3 sont disposées pour produire un champ magnétique résultant nul quand le courant a une même intensité dans les deux lignes N e t Ph, mais qui est sinon suffisant pour créer un courant induit dans un bobinage de déclenchement 4 situé à côté des bobines différentielles 3.Le bobinage de déclenchement 4 est en fait formé d'une bobine d'induction 5 sensible au champ magnétique des bobines différentielles 3 et dans laquelle Le courant induit est créé et d'une bobine de déclenchement 6, branchée aux bornes de La précédente de ânière à former une boucLe, et qui produit un champ magnétique quand elLe est excitée par le courant induit dans La bobine d'induction 5 ; Le champ magnétique dépLace un élément aimanté des interrupteurs 1 et réalise donc ce qu'on appelle un soufflage magnétique. Le levier de réarmement du disjoncteur porte la référence 7. On a figuré par La lettre Q La charge utiLisée par l'abonné du réseau. Les différentes interactions magnétiques et mécaniques sont symbolisées conformément aux explications précédentes par des lignes de deux espèces différentes. Une réalisation de l'invention est représentée à la figure 2 et consiste à a jouter au disjoncteur précédent un circuit électrique 10 qui comprend une première ligne 11 entre la ligne de neutre N et une borne de La bobine de déclenchement 6, une deuxième ligne 12 entre l'autre borne de la bobine de déclenchement 6 et la terre T, et avantageusement une troisième et une quatrième Lignes 13 et 14 parallèLes à la bobine de déclenchement 6 et branchées entre Les lignes 11 et 12. On comprend que dès que la Ligne de neutre N est portée à un potentiel non nul, un courant apparat dans les lignes 11 et 12, qui excite la bobine de déclenchement 6 et commande donc L'ouverture des interrupteurs 1. Il faut toutefois tolérer un courant de défaut au-dessous duquel le disjoncteur doit rester fermé : ce courant est déterminé par la vaLeur d'une résistance R1 présente sur La deuxième Ligne 12. Le dispositif est opérant pour toutes les anomalies sur la Ligne de neutre N, que ce soit sa coupure, La présence d'une résistance anormale ou L'inversion des lignes de neutre N et de phase Ph qu'un agent d'entretien de la Compagnie d'Electricité pourrait commettre par inadvertance. La troisième ligne 13 porte une résistance Rg de stabilisation qui insensibilise quelque peu La bobine de déclenchement 6 aux courants telluriques de faiblie intensité pour L'empêcher de devenir active sans utilité. Une diode D1 est prévue sur la quatrième Ligne 14, et i I existe une deuxième diode D2 sur la deuxième ligne 12, entre la bobine de déclenchement 6 et Le raccordement à la quatrième Ligne 14 ; Les diodes D1 et D2 sont orientées inversement entre La ligne de neutre N et la terre T, ou dans le même sens quand on parcourt une boucle à travers notamment la quatrième ligne 14, la bobine de déclenchement 6. Le but de cet agencement de polarisation est d'empêcher les déclenchements intempestifs de la bobine de déclenchement 6 dans certaines situations et notamment si un réseau électrique voisin est mis à la terre T.Si par exemple cet autre réseau est équipé d'un disjoncteur conforme à l'invention et subit une coupure par suite d'un défaut de neutre, un courant important passe à la terre T et risque d'être transmis aux réseaux voisins par L'intermédiaire des lignes 11 et 1 2. Si La charge Q est active, un déséquilibre est produit dans le réseau, puis un courant de retour qui provoquerait l'ouverture du disjoncteur. C'est pour éviter ces fonctionnements en chaîne de disjoncteurs par des courants de retour ou de réaction dans les bobines de déclenchement 6 qu'on s'arrange pour qu'elles ne puissent être traversées par du courant électrique que dans Le sens de disjonction par soufflage magnétique, défini par la diode D2. Le courant tellurique responsable du courant de retour passe quant à lui par la diode D1 et contourne la bobine de déclenchement 6. Une Lampe de signalisation 15 est branchée entre la ligne de phase Ph, en amont de l'interrupteur 1, et la terre T. ELle est encadrée par deux résistances 16 et 17 de grande valeur qui permettent d'éviter d'y faire passer beaucoup de courant. Elle est par ailleurs reliée à la ligne de neutre N. La résistance 16 i sole Les Lignes N et Ph, la résistance 17 la ligne N de la terre T. La Lampe 15 témoigne donc de l'activité du réseau, c'est-à-dire de l'absence de panne d'électricité. On représente sur la figure 3 un dispositif un peu différent où le disjoncteur est adapté à un réseau triphasé, ce qui ne change rien à son principe de fonctionnement car il suffit d'ajouter deux lignes de phase Ph2 et Ph3 identiques à la première, ici référencée Phl. Comme les causes d'ouverture du dísjoncteu r peuvent être nombreuses, il devient vraiment intéressant d'ajouter un système de repérage de L'anomalie du neutre, même quand le disjoncteur est ouvert depuis longtemps et que le neutre a pu être réparé ou rétabli autrement, afin de distinguer les ouvetures du disjoncteur obtenues grâce à l'invention de celles qui relèvent du fonctionnement d'un disjoncteur classique.Ce système de repérage comprend ce qu'on appelle un Lapin 19, c'est-à-dire un système de mémoire magnétique qui comporte un contact 20 électrique, une bobine 21 d'excitation, un bouton de réarmement 22, un aimant 23 permanent et un ressort 24. Le contact 20 est mobile entre deux positions d'équilibre stable. Dans L'une d'entre eLLe, il est coLlé contre L'aimant 23 tout en comprimant le ressort 24. Si une force suffisamment intense pour l'arracher de l'aimant 23 est produite, le ressort 24 le repousse vers la seconde position d 'équilibre stable, dont l'aimant 23 est trop éloigné pour exercer une attraction sensible. La première position d'équilibre stable ne peut être atteinte à nouveau qu'en repoussant le contact 20 par le bouton de réarmement 22. La force d'arrachement du contact 20 de l'aimant 23 est produite par L'excitation de la bobine 21, qui est située sur la seconde ligne 12. Or le contact 20 est situé sur une ligne 25 munie d'une résistance de défaut 26 qui relie une ligne de phase Phi à la seconde ligne 12 entre la bobine de déclenchement 6 et la bobine 21 . L'excitation de La bobine 21, réalisée dès qu'une anomalie apparaît sur la ligne de neutre N, provoque la fermeture de la ligne 25 et donc une nouvelle excitation de la bobine de déclenchement 6 par un passage de courant entre lignes de phase Phl et de neutre N dès qu'on tente de refermer les interrupteurs 1, ce qui provoque immédiatement une nouvelle disjonction.Le seul moyen de rétabli r le fonctionnement du réseau consiste à réarmer en appuyant sur Le bouton 22, ce qui renseigne sur la cause de l'ouverture du disjoncteur. Une bobine d'amplification 27 est branchée sur La première ligne 11 en série avec Le bobinage 4, essentiellement pour transmettre une énergie magnétique à La bobine 21 si cela est nécessaire pour l'exciter suffisamment, mais tout dépend du choix concret des éléments parmi ceux du commerce et de Leur emplacement dans Le disjoncteur. La bobine d'amplification 27 sera superflue dans de nombreuses situations. D'autres réaLisations assez différentes de l'invention sont décrites à l'aide des figures 4 et 5. Su r la figure 4, le circuit électrique sujet de l'invention est logé dans un bottier 30 mobile d'où sort un fi I électrique 31 terminé par une fiche électrique 32 ordinaire à trois voies, deux pour les phases actives et la troisième pour la terre. Une telle fiche est associée à une prise de terre 33 à trois voies dont l'une est reliée à la terre T et les autres aux lignes de neutre N et de phase Ph d'un réseau monophasé semblable au précédent et qui comporte en particulier le disjoncteur de la figure 1. Le fil électrique 31 est composé d'un fi I de terre 34 et de deux fils de phase active 35 et 36 dont l'un sera relié à la Ligne de neutre N et L'autre à la ligne de phase Ph quand la fiche 32 sera engagée dans la prise 33. Pour que Le système fonctionne correctement, il faut savoir quel fil de phase active 35 ou 36 est connecté à la ligne de neutre N, ce qui n'est pas possible en pratique à moins de démonter la prise 33, et on n'a d'ailleurs qu'une possibiLité d'enfichage. Le bottier 30 est donc muni d'un inverseur 37 qui permet de connecter à volonté chacun des fils de phase active 35 et 36 aux deux circuits 38 et 39 qu'on va maintenant décrire. Le premier circuit 38 est destiné à être relié à la ligne de neutre N et comporte comme précédemment - et situés de La même façon - une résistance de stabilisation Rg, deux diodes D1 et D2, une résistance par défaut R1, de même qu'une bobine de relais 40 destinée à fermer deux contacts 41 et 42 et qui remplace dans le circuit électrique la bobine de déclenchement 6 de la réalisation de la figure 2. Le contact 41 est situé sur une ligne 43 qui appartient au premier circuit 38 et doit relier directement la ligne de neutre N à la terre T ; une résistance RDî est disposée sur cette Ligne. Le second contact 42 est situé sur le second circuit 39, qui comporte en outre une résistance RD2 et doit relier La ligne de phase Ph à la terre T. Quand L'inverseur 37 a été manié pour établir les connexions correctes et qu'une anomalie apparaît sur la ligne de neutre N, un courant traverse la bobine de relais 40, qui ferme les contacts 41 et 42 ; une grande quantité de courant circule alors à travers le second circuit 39 et la ligne 43 entre la terre T d'une part, les lignes de neutre N et de phase Ph d'autre part. Les résistances RD1 et RD2 sont choisies pour qu'un champ magnétique résultant non nul apparaisse autour des bobines différentielles 3, ce qui ferme Le disjoncteur : dans un disjoncteur particulier du commerce, le seul de déclenchement correspond à un courant différentiel de 65 mA. Des voyants de positionnement 46 et de défaut 47 sont également prévus sur Le bottier 30. Le premier est branché entre le fil de phase active 35 et La terre T. Il s'allume si ledit fil 35 est connecté à la phase Ph. L'utilisateur est alors informé que le fil 35 doit être connecté au second circuit 39 il manipule si nécessaire L'inverseur 37 pour cela. Les consignes correspondantes sont inscrites sur le boîtier 30. Le voyant de défaut 47 est connecté entre le premier circuit 38, juste en aval de L'inverseur 37, et La terre T.IL s'allume si La ligne de neutre N est à un état anormal (ou si le premier circuit 38 est incorrectement connecté à la ligne de phase Ph) ; dans les deux cas, le disjoncteur est actif et Le réseau électrique inutilisable. Des résistances 48 et 49 sont disposées en série avec Les voyants 46 et 47. Le dispositif de La figure 5 est analogue à celui de La figure 4 mais comprend en outre un circuit de mémoire de défauts dont le but est semblable à celui de La figure 3. La bobine 40 est branchée en série avec une autre 50 (qu i peut en réalité appartenir à une même bobine du commerce) à L'entrée d'une Ligne de fourniture d'impulsion de réarmement 51 qui porte des contacts 52 qu'un bouton de réarmement 53 peut ramener en position fermée. La ligne de fourniture d'impulsion de réarmement 51 porte également un second inverseur 54 qui permet de la connecter à l'un ou L'autre de deux c ondensateurs 55 et 56 r eliés respectivement aux f i Is de phase active 35 et 36. Un défaut dans la ligne de neutre N provoque encore l'excitation de la bobine 40 et la fermeture des contacts 41 et 42 pourvu qu'une connexion correcte ait été assurée gr3ce au premier inverseur 37. De plus, les contacts 52 s'ouvrent. Cependant et contrairement à l'exemple précédent, les contacts 41 et 42 restent fermés ensuite, car un aimant permanent 57 les retient dans cette position. Seul un réarmement volontaire, manuel, peut les rouvrir et remettre ainsi le réseau en service. Quand donc on appuie sur le bouton de réarmement 53, une charge électrique présente sur un des condensateu rs 55 ou 56 produit un courant impulsionnel traversant la bobine 50 dans un sens qui induit un champ magnétique d'arrachement des contacts 41 et 42 à L'aimant permanent 57 et les ouvre. Le second inverseur 54 permet de prendre la charge électrique au condensateur qui convient. Les diodes D4 et D5 qui sont situées entre la Ligne d'impulsion de réarmement 51 à la terre T ont pour but de laisser passer l'alternance négative vers la terre T pour que seule l'alternance positive de courant soit maintenue aux bornes de la bobine 50. Elles sont en série pour supporter La tension inverse de L'impulsion de La remise à zéro du système. La diode D3 située sur la ligne d'alimentation des bobines 40 et 50 par le fi L de phase active 35 ou 36 oblige la charge de réarmement à s'écouler vers la terre T (les diodes Dl, D2 et D3 sont orientées pour n'autoriser, comme précédemment, Le passage du courant à travers une boucle passant par elLes et la bobine 40 que dans un sens), et le potentiomètre R'1 parallèle à R1 sert à régler le seuil de déclenchement. La résistance R2 en série avec le potentiomètre R'1 définit une résistance de talon ou minimale sur la ligne électrique correspondante. On remarque que ce dispositif d'ouverture en corroborant le potentiel du neutre par comparaison au potentiel de terre est très simple et peut être construit pour un prix modique. Ses caractéristiques de déclenchement sont définies en particulier par les valeurs des résistances Rg et R1, c'est-à-dire par peu de composants. Les sources d'incertitude sur la sensibiLité du dispositif sont donc peu nombreuses. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'ouverture d'un disjoncteur situé sur un réseau électrique composé d'une ligne de neutre (N) et d'au moins une ligne de phase (Ph) et comprenant une bobine de déclenchement (6) qui commande un éLément mécanique (1) de coupure des Lignes (N, Ph) quand elle est excitée, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit électrique reliant la Ligne de neutre à un potentiel de terre (T), le circuit électrique étant constitué de façon à exciter la bobine de déclenchement. 2. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant La revendication 1, caractérisé en ce que Le circuit électrique (11, 12) passe par la bobine de déclenchement. 3. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant La revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend un moyen (40, 41, 42) de suscite r dans les Lignes un état d'excitation de la bobine de déclenchement (6) par induction électromagnétique. 4. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de susciter l'état d'excitation consiste en une connexion d'au moins une des Lignes (N, Ph) au potentiel de terre (T) de manière à produire une différence d'intensité de courant entre Les lignes, et un champ magnétique d'excitation de la bobine de déclenchement (6) autour d'un bobinage différentiel (3) établi sur les lignes. 5. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que Le circuit électrique est situé dans un boitier mobile (30) et muni d'un fil électrique (31) de connexion à une prise (33) à trois voies sur laquelle la Ligne de neutre (N), La Ligne de phase (Ph) et Le potentiel de terre (T) sont branchés. 6. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commutation (37) de bornes (35, 36) du circuit entre la ligne de phase et La Ligne de neutre. 7. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'état d'excitation est créé par une bobine de relais (40) située sur le circuit é électrique. 8. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant L'une quelconque des revendications 2 ou 7, caractérisé en ce que Le circuit comprend une résistance électrique de stabilisation (Rg) branchée en parallèle à La bobine de déclenchement (6) ou de relais (40) entre la Ligne de neutre et le potentiel de terre. 9. Dispositif d'ouverture de disjoncteur suivant l'une quelconque des revendications 2 ou 7, caractérisé en ce que Le circuit électrique comprend deux branches parallèles (11, 12; 13) entre La ligne de neutre et le potentiel de terre, l'une comprenant la bobine de déclenchement (6) ou de relais (40) et une première diode (D2), l'autre comprenant une seconde diode (D1) orientée inversement à La première entre la ligne de neutre et Le potentiel de terre. 10. Dispositif d'ouverture de disjonction suivant L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le circuit électrique comprend une bobine (21, 40) de déclenchement d'un interrupteur (20, 52) vers un état stable où il témoigne d'un déclenchement du disjoncteur consécutivement à une activité du dispositif d'ouverture.