Brevet FR2733374A1 — publié le 19961025

DISPOSITIF DE PROTECTION DIFFERENTIELLE SENSIBLE AUX COURANTS PULSES La présente invention concerne un dispositif de protection différentielle d'une installation électrique, du genre comprenant un transformateur différentiel comportant un tore constitué par un noyau magnétique, des enroulements primaires formés par les conducteurs actifs de l'installation et un enroulement secondaire aux bornes duquel s'établit un signal de défaut différentiel lors de l'apparition d'un défaut différentiel dans les enroulements primaires, un relais de déclenchement d'un appareil de coupure de courant, et un circuit secondaire de connexion du relais aux bornes de l'enroulement secondaire précité, ledit circuit étant agencé pour provoquer le déclenchement lorsque ledit signal dépasse un seuil prédéterminé. Les déclencheurs par courant de défaut sont utilisés depuis de nombreuses années pour la protection des machines et des personnes. Pour la protection des personnes, le courant de déclenchement peut se situer environ à 30mA, tandis qu'il se situe dans une plage d'environ 300 à 500 mA pour la protection des machines. Or, ces dernières années, on incorpore de plus en plus de dispositifs électroniques à effet redresseur du courant dans de nombreux appareils électriques. Ces effets redresseurs peuvent engendrer une composante continue susceptible d'influencer le fonctionnement du dispositif différentiel. L'utilisation accrue de déclencheurs électroniques, notamment dans les appareils ménagers requiert également que ceux-ci répondent en toute sécurité non seulement à des courants alternatifs, mais aussi à des courants de défaut continus pulsés. Les valeurs limites définies pour de tels déclencheurs ont été fixées par la norme VDE 0664. On connaît des déclencheurs du genre précédemment mentionné, et répondant à cette spécificité, dans lesquels le noyau magnétique du tore du transformateur est réalisé en un matériau cristallin adapté à cette utilisation.Les principales grandeurs caractéristiques de ces matériaux sont l'amplitude d'induction AB pour un courant d'excitation sinusoïdal, I'élévation d'induction statique AB stat pour un courant d'excitation sinusoïdal redressé à une seul alternance ainsi que l'élévation d'induction dynamique AB dyn pour un courant d'excitation sinusoïdal redressé à deux alternances. Dans ces déclencheurs, il est connu de monter un condensateur entre l'enroulement secondaire du transformateur et l'enroulement de déclenchement du relais afin d'augmenter la sensibilité du déclencheur en augmentant la puissance au niveau du relais. Un circuit oscillant est ainsi formé par l'enroulement secondaire et le condensateur. La fréquence de résonance de ce circuit oscillant doit alors être harmonisée avec la fréquence de la tension dans l'enroulement secondaire du fait du courant de défaut. Le réglage de ce circuit résonnant s'effectue en définissant le nombre de spires de l'enroulement secondaire en partant des valeurs de capacités prescrites pour le condensateur, et les conditions de déclenchement du déclencheur sont déterminées. Or, le nombre de spires définitivement réglé ne représente simplement qu'un compromis entre les différentes formes de courant de défaut. La demande de brevet européen EP-0.563.606 décrit un transformateur d'intensité pour déclencheur, permettant d'obtenir une interruption sûre d'un circuit utilisateur soumis à des courants pulsés, le déclenchement étant réalisé de façon pratiquement indépendante de la forme de courant de défaut. Ces résultats sont obtenus grâce à l'utilisation d'un noyau magnétique réalisé en un matériau nanocristallin présentant les caractéristiques magnétiques suivantes : Br/Bs 0, 6T, pour une amplitude de l'intensité de champ de 100 mA/cm, ABdyn max > 0, 7T et ABdyn/ AB > 0,7, ces noyaux magnétiques ayant été réalisé en deux étapes. Les caractéristiques magnétiques présentées dans ce brevet sont effectivement intéressantes pour un schéma de déclencheur utilisant un condensateur. La présence de ce condensateur ainsi que l'obtention de ABdyn/ AB (100 mA/cm) > 0, 7 permettent d'obtenir une forme de courant au secondaire plus symétrique. Dans ce cas, le déclencheur électromagnétique polarisé fonctionne pour deux seuils plus symétriques, d'où il résulte une plus grande facilité de réglage en fabrication. Or, si elles sont avantageuses, ces caractéristiques sont cependant contraignantes, car elles nécessitent un traitement particulier des matériaux du noyau magnétique. En outre, dans ce brevet, le déclencheur ne permet pas l'obtention d'une protection différentielle efficace pour des applications courantes telles que les gradateurs pouvant avoir des angles d'ouverture très brefs allant de 135C à 180 ". La présente invention résout ces problèmes et propose un dispositif de protection différentielle dont la sensibilité aux courants pulsés est améliorée sans caractéristiques magnétiques contraignantes pour le noyau magnétique du tore du transformateur. L'invention, dans une forme particulière de réalisation, permet en outre de réaliser une protection élargie, en courants pulsés, notamment pour des angles a > 135 concernant certains gradateurs. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de protection différentielle du genre précédemment mentionné, ce dispositif étant caractérisé en ce que le circuit secondaire précité comporte un redresseur et en ce que le noyau magnétique du tore est constitué par un matériau nanocristallin. Selon une réalisation particulière de l'invention, le noyau magnétique esr réalisé à partir d'un alliage à base de fer magnétique doux, composé à plus de 50% de grains à cristaux fins d'une taille inférieure à 100nm et contenant, en plus d'une teneur en fer supérieure à 60 % (at), 0,5 à 2 % de cuivre, 2 à 5 % au moins de l'un des métaux suivants niobium, tungstène, tantale, zirconium, hafnium, titane et/ou molybdène, 5 à 14 % de bore et 14 à 17 % de silicium. Selon une caractéristique particulière, le redresseur précité comporte deux diodes reliant respectivement les deux extrémités de l'enroulement secondaire à l'une des extrémités de la bobine du relais tandis que l'autre extrémité de la bobine est reliée en un point milieu de l'enroulement secondaire. Avantageusement, les deux diodes sont deux diodes Zener. Selon une autre réalisation, le redresseur précité comporte un pont de diodes reliant les bornes de l'enroulement secondaire aux bornes de la bobine du relais. Selon une caractéristique particulière, le circuit secondaire comporte en outre un condensateur monté en parallèle avec l'enroulement secondaire du tore. Selon une autre caractéristique, le facteur de surtension du circuit secondaire est d'environ 3,5. Selon une autre caractéristique, la fréquence de résonance du circuit résonnant comprenant l'enroulement secondaire du tore et le condensateur est d'environ 120 Hz. Selon une caractéristique particulière, le circuit secondaire comporte en outre une capacité de stockage et des moyens de comparaison connectés à la capacité de stockage et comportant une sortie de contrôle reliée aux moyens de commande du relais, de manière à fournir un signal de déclenchement au relais si la valeur de la tension de la capacité est supérieure à un seuil prédéterminé. Avantageusement, les moyens de comparaison comportent un comparateur oubien une diode à seuil de tension. De préférence, les moyens de commande du relais comportent un thyristor. Mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: La figurel est une courbe représentative de l'évolution des seuils de déclenchement pour un matériau cristallin et un matériau nanocristallin. Les figures 2, 3 et 6 illustrent respectivement trois réalisations d'un déclencheur conforme à l'invention. La figure 4 illustre deux courbes représentant en ordonnée, le facteur de surtension et en abcisse, le rapport C/C(SOhz), respectivement pour un matériau cristallin et un matériau nanocristallin. La figure 5 illustre la réduction relative des seuils en classe A, apportée par le nanocristallin comparativement au cristallin en fonction de l'angle d'amorçage. Sur les figures 2,3 et 6, on voit respectivement trois réalisations d'un dispositif de protection différentielle D conforme à l'invention et destiné à être incorporé ou associé, par exemple à un disjoncteur électrique (non représenté) de coupure des conducteurs actifs alimentant une installation électrique. Ce dispositif D comporte communément aux trois réalisations, un transformateur différentiel 1 constitué par un tore 2 à noyau magnétique comportant un enroulement primaire (non représenté) formé par les conducteurs actifs de l'installation traversant le tore 2, et un enroulement secondaire 3 relié à la bobine d'un relais de déclenchement 4 du type polarisé, par un circuit secondaire 5 de connexion. Le noyau magnétique du tore 2 est réalisé en un matériau nanocristallin. Le circuit secondaire 5 du déclencheur D représenté sur la figure 2 est constitué par deux diodes 6, 7 reliées en entrée respectivement aux deux extrémités de l'enroulement secondaire 3 et en sortie au pôle positif du relais de déclenchement 4, tandis que le pôle négatif du relais 4 est relié en un point milieu 3a de l'enroulement secondaire 3 du tore 2. Dans la réalisation illustrée sur la figure 3, le circuit secondaire 5 comporte en outre un condensateur 8 monté en parallèle de l'enroulement secondaire 3 du tore 2. On notera que des diodes zener ou autres dispositifs équivalents seront avantageusement utilisés pour éviter les déclenchements intempestifs. Dans la réalisation illustrée sur la figure 6, le circuit secondaire 5 comporte un condensateur d'accord 13 relié en parallèle avec l'enroulement secondaire 3 du tore 2 et avec un pont redresseur P dont les sorties sont reliées en parallèle à une capacité de stockage 14, laquelle est reliée en parallèle avec le relais 4 et un thyristor montés en série, et avec un circuit à seuil 16 comportant une sortie de contrôle reliée au thyristor 15. Pour les deux premières réalisations, le relais de déclenchement 4 commande le déclenchement dudisjoncteur lorsque le signai de défaut délivré à la bobine du relais 4, lors de l'apparition d'un courant de défaut dans les enroulements primaires, dépasse un seuil prédéterminé de déclenchement. Lorsque la tension obtenue au secondaire 3 ne présente pas deux alternances symétriques, le redresseur 6, 7 réalise une symétrisation du courant au secondaire, nécessaire pour que le relais polarisé 4 fonctionne pour deux seuils symétriques. Dans la troisième réalisation, le circuit à seuil 16 fournit un signal de déclenchement au relais 4 par l'intermédiaire du thyristor 15, lorsque la tension aux bornes de la capacité de stockage 14 dépasse un certain seuil. Dans la réalisation illustrée sur la figure 2, le fonctionnement du déclencheur D avec une bonne sensibilité aux courants pulsés peut être obtenu par exemple en utilisant un nanocristallin présentant les caractéristiques magnétiques suivantes : ABdyn (100 mA t/cm) Sur la figure 1, la courbe (a) représente la frontière normative établissant les seuils de déclenchement, en fonction de l'angle d'amorçage, conformément à la norme VDE 0664. La courbe (b) représente l'évolution des seuils en fonction de (a) lors de l'utilisation d'un matériau cristallin (comportant 78 % Nl) pour le noyau magnétique du tore (2) dans un déclencheur (D) dont le circuit secondaire comporte un redresseur, tandis que la courbe (c) représente la même évolution pour une utilisation d'un matériau nanocristallin dans un même type de déclencheur. En se reportant à la figure 1, on voit qu'une utilisation d'un matériau nanocristallin pour le noyau magnétique du tore 2 dans un circuit secondaire 5 à redresseur permet d'obtenir des seuils différentiels de déclenchement (S) en fonction de l'angle (a) d'amorçage, nettement inférieurs (courbe c) à ceux établis par la frontière normative (courbe a), et ce pour des angles d'amorçage allant jusqu'à 135". Les pertes réduites propres aux nanocristallins pouvant être mises en évidence par une mesure de AB dyn en fonction de la fréquence, permettent d'obtenir une protection différentielle à angle d'amorçage (a) élargie, comme illustré sur la figure 5. Cette courbe représente en ordonnée la réduction des seuils (R) en %, en courants pulsés, apportée par le nanocristallin, comparativement à un cristallin comportant 55 % de NI. Dans la réalisation illustrée sur les figures 3 et 6, le condensateur 8 permet d'augmenter la puissance fournie au relais 4. L'utilisation du matériau nanocristallin permet de capter et de transmettre au secondaire 3 une énergie suffisante pour déclencher le relais 4. L'enroulement secondaire 3 et le condensateur 8 forment un circuit résonant dont la fréquence de résonance est choisie de façon que la surtension créée par le condensateur 8 soit environ 3,5 fois supérieure à celle occasionnée sans condensateur. On notera que, le facteur de surtension (f) est défini comme étant le rapport entre la tension du condensateur 8 à une fréquence donnée sur la tension aux bornes de l'enroulement secondaire 3, sans condensateur, pour une même fréquence.La fréquence de résonance est également choisie de façon que la bande passante du filtre comprenant le condensateur, ne coupe pas trop les harmoniques de fréquence supérieure à 50 Hz présentes dans les signaux de courants pulsés notamment pour a = 135". Lors de l'utilisation d'un matériau cristallin, cette fréquence est en général d'environ 75 Hz. Lorsque le matériau constituant le noyau magnétique est un matériau nanocristallin, celui-ci, grâce à ses faibles pertes, génère une surtension double de celle d'un matériau cristallin traditionnel, comme ceci est visible sur la figure 4. Les courbes d, e de cette figure 4 représentent en ordonnée le facteur de surtension f, et en abaisse le rapport entre la capacité c du condensateur et une valeur de capacité pour une résonance de 50 Hz (C, 50 Hz), respectivement pour un matériau nanocristallin (d) et pour un matériau cristallin traditionnel (e).On voit ainsi sur ces courbes que pour une valeur de coefficient de surtension de 3,5, la grandeur C/C (50 Hz) correspondante pour un nanocristailin B est inférieure à celle A du cristallin, ce qui permet de choisir une fréquence de résonance d'environ 120 Hz. n en résulte un élargissement de la bande passante du différentiel, qui permet de réaliser une protection élargie en classe A (courants pulsés), soit pour des angles 1350 On notera que le noyau magnétique pourra avantageusement être constitué d'un alliage à base de fer magnétique doux constitué d'au moins 50 % de cristallites d'une taille inférieure à 100 n m et contenant en pourcentage atomique : en plus d'une teneur en fer supérieure à 60 %, 0,5 à 2 % de cuivre, 2 à 5 % au moins de l'un des métaux suivants, niobium, tungstène, tantale, zirconium, hafnium, titane et/ou molybdene, 5 à 14 % de bore et 14 à 17 % de silicium. On a donc réalisé un dispositif de protection différentiel permettant d'obtenir un abaissement des seuils de déclenchement en courant pulsé notamment pour des angles d'ouverture a > 135 , grâce d'une part, aux faibles pertes caractérisant le nanocristallin et d'autre part, à un élargissement de la bande passante de l'ensemble constitué par le tore et le condensateur d'accord. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection différentielle d'une installation électrique, du genre comprenant un transformateur différentiel comportant un tore constitué par un noyau magnétique, des enroulements primaires formés par les conducteurs actifs de l'installation et un enroulement secondaire aux bornes duquel s'établit un signal de défaut différentiel lors de l'apparition d'un défaut différentiel dans les enroulements primaires, un relais de déclenchement d'un appareil de coupure du courant, et un circuit secondaire de connexion du relais aux bornes de l'enroulement secondaire précité, ledit circuit étant agencé pour provoquer le déclenchement lorsque ledit signal dépasse un seuil prédéterminé, caractérisé en ce que le circuit secondaire précité (5) comporte un redresseur (6, 7) et en ce que le noyau magnétique du tore (2) est réalisé en un matériau nanocristallin. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le noyau magnétique est réalisé à partir d'un alliage à base de fer magnétique doux, composé à plus de 50% de grains à cristaux fins d'une taille inférieure à 100nm et contenant, en plus d'une teneur en fer supérieure à 60%(at), 0,5 à 2 37c de cuivre, 2 à 5 % au moins de l'un des métaux suivants niobium, tungstène, tantale, zirconium, hafnium, titane et/ou molybdène, 5 à 14% de bore et 14 à 17% de silicium. 3. Dispositif selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que le redresseur précité comporte deux diodes (6, 7) reliant respectivement les deux extrémités de l'enroulement secondaire (3) à l'une des extrémités de la bobine du relais (4), tandis que l'autre extrémité de la bobine (4) est reliée en un point milieu (3a) de l'enroulement secondaire (3). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux diodes (6, 7) sont deux diodes Zener. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le redresseur précité comporte un pont de diodes reliant les bornes de l'enroulement secondaire (3) aux bornes de la bobine du relais (4). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit secondaire (5) comporte en outre un condensateur (X) monté en parallèle avec l'enroulement secondaire (3) du tore (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le facteur de surtension (f) du circuit secondaire (5) est d'environ 3,5. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fréquence de résonance du circuit résonnant comprenant l'enroulement secondaire (3) du tore (2) et le condensateur (8), est d'environ 120 Hz. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit secondaire (5) comporte en outre une capacité de stockage (14) et des moyens de comparaison (16), lesdits moyens étant connectés à la capacité de stockage (14) et comportant une sortie de contrôle reliée aux moyens de commande (15) du relais (4) de manière à fournir un signal de déclenchement au relais (4), si la valeur de la tension de la capacité (14) est supérieure à un seuil prédéterminé. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de comparaison (16) comportent un comparateur. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de comparaison (16) comportent une diode à seuil de tension. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les moyens de commande du relais (4) comportent un thyristor (15).