Brevet FR2705172A1 — publié le 19941118

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN APPAREIL ELECTRIQUE TEL QU'UN DISJONCTEUR La présente invention se rapporte à un dispositif de commande d'un appareil électrique tel qu'un disjoncteur. Elle concerne plus précisément un dispositif de commande d'un premier appareil électrique équipé d'un dispositif de déclenchement, disposé en série sur une ligne moyenne, haute ou très haute tension avec un second appareil et destiné à être manoeuvré rapidement lorsque la tension aux bornes du second appareil atteint un seuil déterminé. Le but de l'invention est de fournir un tel dispositif de commande permettant une manoeuvre automatique, rapide et sûr du premier appareil. Elle s'applique en particulier à la commande d'un disjoncteur connecté en série à un limiteur de courant sur une ligne moyenne, haute ou très haute tension. Dans la demande de brevet française n'92 13 746 déposé le 16 novembre 1992 par la Déposante, est décrit un limiteur de courant à varistance et à circuit magnétique. L'utilisation d'une varistance permet de saturer une branche du circuit magnétique très rapidement afin d'augmenter l'inductance du circuit. La varistance fonctionne à partir d'une valeur donnée du courant de défaut et supporte le passage du courant résiduel jusqu a l'ouverture du disjoncteur. Avec un tel limiteur, pour réduire la contrainte thermique sur la varistance, il est nécessaire de couper le courant résiduel ou limité en ouvrant rapidement le disjoncteur. Le dispositif de commande conformément à l'invention s'applique particulièrement à ce type de limiteur. Conformément à l'invention, il comprend un diviseur résistif monté aux bornes du second appareil, un ensemble de deux diodes Zéner monté en parallèle sur ce diviseur et connecté à un ensemble de deux diodes émissives, deux fibres optiques reliées à l'ensemble de diodes émissives et connectées à un dispositif électronique de puissance luimême connecté au dispositif de déclenchement du premier appareil. Selon un mode réalisation préféré, le diviseur est constitué de deux résistances en série, dites première résistance et seconde résistance, en parallèle à la seconde résistance sont connectées les deux diodes Zéner, têtebêche, et la première diode émissive, ces trois diodes étant montées en série, la seconde diode émissive est disposée tête-bêche en parallèle à la première diode émissive et les deux fibres optiques sont reliées respectivement aux première et seconde diodes émissives. Avantageusement, le dispositif électronique de puissance comprend, sous une alimentation stabilisée, deux récepteurs optiques auxquels sont connectées respectivement les deux fibres optiques et dont les sorties sont traitées pour actionner un transistor commandant le dispositif de déclenchement du premier appareil. Selon un agencement particulier, lesdites sorties travaillent en logique négative et sont reliées à une porte NAND dont la sortie pulsée est rendue continue par un monostable et amplifiée par un ensemble d'inverseurs avant d'être envoyée audit transistor. L'invention est décrite ci-après en référence aux figures qui ne représentent qu'un mode réalisation préféré. La figure 1 est une vue en coupe longitudinal d'un limiteur de courant associé à un disjoncteur et équipé d'un dispositif de commande conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma électrique d'un dispositif de commande conforme à l'invention. La figure 3 est un schéma électronique du dispositif de puissance d'un dispositif de commande conforme à l'invention. La figure 4 représentent des chronogrammes illustrant le fonctionnement du dispositif de commande conforme à l'invention. Le limiteur représenté sur la figure 1 est du type de celui décrit dans la demande de brevet française n"92 13 746. Ce limiteur de courant inséré en série dans une ligne haute tension LL' comprend, par phase, en série avec un disjoncteur 13 un premier enroulement El en matériau conducteur formé de deux enroulements élémentaires El' et E1" bobinés en série et un deuxième enroulement E2 en matériau conducteur ayant un nombre de spires supérieur à celui du premier enroulement El et monté en parallèle au premier enroulement El , le deuxième enroulement E2 étant en série avec une varistance 16 et une résistance 19. Ces enroulements El' et E1" sont bobinés de façon que leur flux s'opposent créant une chute de tension inductive permanente de l'ordre de 3% à 4% de la tension nominale phase-terre de la ligne. Le deuxième enroulement E2 est bobiné de façon à créer un flux 2 s'ajoutant aux flux 1' et Elle dans la branche 9 du circuit magnétique 2 lors du fonctionnement de la varistance 16 afin de magnétiser l'entrefer 11. L'apparition du défaut se traduit par une augmentation de la tension aux bornes du limiteur entre les point A et B ou M et N, compte tenu de l'accroissement des valeurs de l'inductance de limitation L(o et du courant limité Il. Cette tension dépend de la valeur de l'inductance de limitation de l'inductance de la source et du type de défaut. Il est donc nécessaire que le déclenchement du disjoncteur 13 ait lieu lorsque la tension AB ou MN dépasse un seuil déterminé. Le dispositif de commande va maintenant être décrit. Un diviseur résistif 20, de longueur déterminée par la tension maximale apparaissant pendant le défaut, est monté aux bornes A et B, ce diviseur comportant deux résistances en série R1 et R2, dites première résistance R1 et seconde résistance R2. En parallèle à la seconde résistance R2, sont montées deux diodes Zéner 21 qui actionnent deux diodes émissives 22 reliées chacune à une fibre optique 23. Les signaux optiques sont transmis à un dispositif électronique de puissance 24 installé dans la cabine de commande du disjoncteur. L'ordre de déclenchement sortant de ce dispsoitif 24 actionne la bobine 25 du disjoncteur 13 qui s'ouvre avec un temps mécanique d'ouverture de l'ordre de 10 millisecondes. Il est ainsi possible de limiter le passage du courant dans la varistance à un temps inférieur à 20 millisecondes. Comme représenté sur la figure 1, le diviseur résistif 20 est branché entre les bornes A et B et se trouve dans le fluide diélectrique de refroidissement 14 du limiteur. Il peut également être branché à l'extérieur du limiteur par exemple entre les bornes M et N. C'est le cas par exemple d'un limiteur supraconducteur utilisant de l'hélium liquide comme fluide diélectrique de refroidissement. Le diviseur 20 est alors logé à l'intérieur d'une enveloppe isolante pourvue d'ailettes. La partie de fibre optique 26 se trouvant dans le fluide est sous tension et quitte l'enceinte 2 par une traversée 27. Le fonctionnement du dispositif de commande est le suivant: - en régime normal, la chute de tension inductive avec le courant nominal est faible de l'ordre de quelques centièmes de la tension phase-terre; le courant traversant les diodes émissives 22 est nul; l'énergie en pertes Joules du diviseur 20 est absorbée par le fluide diélectrique du limiteur; - en régime de défaut, le courant augmente très rapidement; à 3In par exemple, In étant le courant nominal, la varistance fonctionne sous une tension entre A et B de 3 L0 o In Ç2, , L0 o étant la réactance permanente du limiteur; cette tension permet d'envoyer automatiquement un signal optique de déclenchement au disjoncteur 13 via les fibres optiques 23 et le dispositif électronique de puissance 24. Le dispositif de commande est décrit ci-après plus en détail à l'aide du schéma électrique de la figure 2. En parallèle à la seconde résistance R2, aux bornes X et Y, deux diodes Zéner DZ1, DZ2, tête-bêche, et une première diode émissive T1 sont montées en série, et une seconde diode émissive T2 est disposée tête-bêche en parallèle à la première diode émissive T1, Deux fibres optiques F01, F02 sont reliées respectivement aux première et seconde diodes émissives T1, T2 et connectées à un dispositif électronique de puissance 24 lui-même connecté au dispositif de déclenchement du premier appareil. Les diodes émissives ou transmetteurs optiques T1 et T2 peuvent être des HFBR 1602 de "Hewlett Packard" et sont donc insérés en série avec la résistance R1 aux bornes du limiteur à l'aide d'un circuit dit à seuil dont les bornes sont X et Y. Ils sont alimentés tête-bêche pour être prêts à réagir rapidement quelle que soit la polarité de la tension au moment précis de la limitation. Le circuit à seuil évite qu'en régime normal les transmetteurs T1 et T2 subissent une quelconque sollicitation aussi faible soit elle, pour empêcher tout risque de fonctionnement intempestif du disjoncteur. Par contre lorsque la tension instantanée aux bornes du limiteur atteint le seuil déterminé, l'un des transmetteurs est franchement excité et permet l'ouverture rapide du disjoncteur à l'aide du dispositif électronique de puissance 24 qui sera décrit plus loin et qui est connecté à ce circuit par deux fibres optiques F01 et F02 qui assurent l'isolement intégral du dispositif de commande de la ligne moyenne tension, haute tension ou très haute tension. La seconde résistance R2 est choisie par calcul, ainsi que la tension des deux diodes Zéner DZ1 et DZ2, afin qu'en régime permanent la tension permanente de crête aux bornes AB soit inférieure à celle de ces diodes afin que les transmetteurs T1 et T2 ne soient traversées par aucun courant, alors qu'en régime de limitation dès que la tension instantanée aux bornes AB dépasse la valeur de seuil, le courant s'établisse dans l'un des transmetteurs T1 ou T2 selon la polarité. Le dispositif électronique de puissance 24 est décrit sur la figure 3. Sous une alimentation stabilisée de 12 Volt réalisée à partir de la tension auxiliaire grâce à une résistance R3, une diode Zéner DZ3 de 12 Volt et un condensateur de découplage C1, il comprend deux récepteurs optiques RVl, RV2 auxquels sont connectées respectivement les deux fibres optiques F01, F02. Selon la polarité de la tension surveillée l'un ou l'autre des récepteurs optiques RV1, RV2 est activé. Ces récepteurs peuvent être des HFBR 2602 de "Hewlett Packard". Leurs sorties nonS1 et nonS2 travaillent en logique négative, c'est à dire qu'elles sont à 1 en l'absence de lumière et passent à O en présence de lumière. Elles sont reliées à une porte NAND G qui peut être un CD4011 de "RCA" et qui permet de faire l'opération OU logique de S1 et S2 en vertu de la règle de Morgan Sl+S2=non(nonSl*nonS2). Compte tenu de la tension alternative aux bornes AB et des seuils mis à l'émission lumineuse des transmetteurs, la sortie de commande S3 est pulsée. Elle est rendue continue par un monostable MS qui peut être un CD4047 de "RCA" et dont le temps propre est choisi pour rendre le signal continu. Le courant de sortie nonQ est alors amplifié à l'aide d'un ensemble I d'inverseurs, par exemple six CD4009 de "RCA", en parallèle pour permettre la charge rapide de la capacité parasite de l'électrode de commande d'un transistor à effet de champ T, de préférence de technologie MOS et par exemple un IRLD540 de "International Rectifier". Ce transistor est protégé en tension par une diode Zéner convenable DZ4 de tension minimale supérieure ou égale à la tension auxiliaire maximale. Il commande la bobine de déclenchement 25 du disjoncteur. Cette commande peut éventuellement être réalisé par l'intermédiaire du contact auxiliaire de commande assistée par ordinateur CAO du disjoncteur. Les chronogrammes de la figure 4 explicitent le fonctionnement du dispositif électronique 24. En l'absence de court circuit dans la ligne, la tension aux bornes AB du limiteur est nominale, aucune lumière n'est émise, nonS1 et nonS2 sont à 1, le monostable MS ne reçoit aucune impulsion, le transistor T est bloqué et aucun courant ne passe dans la bobine 25. Dès l'apparition d'un court circuit, le limiteur entre en action, développe une brusque tension transitoire positive ou négative et sollicite très rapidement et périodiquement l'un ou l'autre des récepteurs optiques RV1 et RV2 dont les sorties nonS1 et nonS2 passent alternativement de 1 à 0 et de 0 à 1,; à chaque transition de 0 à 1, le monostable MS maintient la sortie Q à 1 à partir de la première transition observée, tant que la tension existe. Le transistor T a alors son électrode de commande qui passe brutalement à 1, passe très rapidement en conduction et excite la bobine de déclenchement 25. Le disjoncteur est rapidement sollicité et coupe le courant de défaut préalablement limité par le limiteur. Dès cet instant, le courant disparaissant dans le limiteur, la tension aux bornes AB est annulée et le transistor T coupe la bobine 25. La commande de la bobine 25 est donc automatique et la commande assistée par ordinateur ne joue qu'un rôle de sécurité vis à vis de la bobine. Cette commande assistée par ordinateur est cependant nécessaire dans le cas où l'on souhaite pour des raisons d'exploitation pouvoir déclencher le disjoncteur manuellement. Toutes les dispositions sont prises pour éviter une commande intempestive du disjoncteur sous l'influence des perturbations électromagnétiques. Pour la tenue aux champs électromagnétiques, les éléments constitutifs du dispositif de commande sont placés dans un boîtier métallique 28 faisant office de cage de Faraday. La résistance R3 est de préférence externe au boîtier et peut être montée en dernier lieu en spécifiant sa valeur. Le dispositif électronique de puissance est protégé contre les inversions de polarité de la tension auxiliaire. Le boîtier métallique 28 est au potentiel 0 de la batterie et doit être isolé de la masse. Sinon il est possible de le monter de façon isolée dans un autre boîtier au potentiel de la masse. Pour la tenue aux perturbations haute fréquence liées soit à la coupure soit aux manoeuvres de sectionnement du disjoncteur, on dispose des filtres haute fréquence L1, BP1, L2, BP2 (figure 3) sur les entrées a et b du boîtier. Le zéro de l'électronique de commande est porté au potentiel du boîtier de blindage 28 pour éviter toute variation dV/dt entre les composants et ce boîtier. Les fibres optiques apportant l'information de commande garantissent qu'aucune tension de mode commun ne soit introduite à partir du circuit à seuil de la figure 2 au potentiel moyenne, haute ou très haute tension. Ce circuit à seuil est parfaitement passif; une capacité shunt C de faible valeur est montée pour éviter la sollicitation en mode différentiel des transmetteurs si des tensions à haute fréquence liées à des manoeuvres sollicitaient le limiteur ou pour éliminer la tension transitoire très fugitive qui peut apparaître aux bornes du limiteur lors de sa mise sous tension, compte tenu de son inductivité résiduelle faible mais non nulle. Le dispositif de commande ainsi réalisé est d'une grande fiabilité, tout en comportant peu de composants. REVENDICATIONS 1) Dispositif de commande d'un premier appareil électrique équipé d'un dispositif de déclenchement, disposé en série sur une ligne moyenne, haute ou très haute tension avec un second appareil et destiné à être manoeuvré rapidement lorsque la tension aux bornes du second appareil atteint un seuil déterminé, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur résistif (20) monté aux bornes du second appareil, un ensemble de deux diodes Zéner (21) monté en parallèle sur ce diviseur (20) et connecté à un ensemble de deux diodes émissives (22), deux fibres optiques (FOl, F02) reliées à l'ensemble de diodes émissives (22) et connectées à un dispositif électronique de puissance (24) lui-même connecté au dispositif de déclenchement du premier appareil. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diviseur (20) est constitué de deux résistances (R1, R2) en série, dites première résistance (R1) et seconde résistance (R2), en ce qu'en parallèle à la seconde résistance (R2) sont connectées les deux diodes Zéner (DZ1, DZ2), tête-bêche, et la première diode émissive (T1), ces trois diodes étant montées en série, en ce que la seconde diode émissive (T2) est disposée tête-bêche en parallèle à la première diode émissive (T1) et en ce que les deux fibres optiques (FOl, F02) sont reliées respectivement aux première et seconde diodes émissives (T1, T2). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif électronique de puissance (24) comprend, sous une alimentation stabilisée, deux récepteurs optiques (RV1, RV2) auxquels sont connectées respectivement les deux fibres optiques (Fol, F02) et dont les sorties sont traitées pour actionner un transistor (T) commandant le dispositif de déclenchement du premier appareil. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites sorties travaillent en logique négative et sont reliées à une porte NAND (G) dont la sortie pulsée est rendue continue par un monostable (MS) et amplifiée par un ensemble d'inverseurs (B) avant d'être envoyée audit transistor (T) 5) Dispositif selon l'une des revendications, caractérisé en ce que le premier appareil est un disjoncteur et le second appareil est un limiteur de courant. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de déclenchement du disjoncteur est une bobine.