Brevet FR2753016A1 — publié le 19980306

ENSEMBLE DE PROTECTION ET DE GESTION D'ENERGIE A PREPAIEMENT L'invention concerne un ensemble de protection et de gestion d'énergie à prépaiement alimenté par un réseau électrique comportant un conducteur primaire de neutre et au moins un conducteur primaire de phase, ensemble comportant - des moyens de gestion d'énergie à prépaiement comportant des moyens d'entrée et de mémorisation d'un crédit d'énergie, des moyens de mesure du courant, des moyens de comptage de la quantité d'énergie consommée et des moyens pour réduire le montant du crédit mémorisé en fonction de la quantité d'énergie consommée, - des moyens de protection comportant des moyens pour interrompre l'alimentation en énergie en cas de défaut ainsi que, sous le contrôle des moyens de gestion d'énergie, lorsque le montant du crédit est nul. On connaît des systèmes de contrôle d'énergie à prépaiement dans lesquels chaque utilisateur possède un circuit de gestion connecté à un circuit de mesure de l'énergie utilisée et à un interrupteur ou un disjoncteur pour interrompre l'alimentation en énergie de l'utilisateur lorsque le montant d'un crédit d'énergie, mis en mémoire dans le circuit de gestion et réduit au fur et à mesure de la consommation d'énergie s'annule. Le montant du crédit peut être modifié par l'introduction dans le circuit de gestion d'un code de prépaiement. Dans les systèmes connus, ce code est introduit soit au moyen d'un clavier, soit à l'aide d'une carte magnétique, soit au moyen d'un support à puce électronique. Un tel circuit de gestion est souvent associé à un disjoncteur, plus particulièrement à un disjoncteur différentiel de branchement, le système réalisant ainsi à la fois la protection de l'installation par le disjoncteur, la gestion de l'énergie en fonction de la quantité d'énergie payée par l'utilisateur et mise en mémoire dans le circuit de gestion, ainsi que la protection des personnes contre les contacts directs ou indirects. Ce type de système, qui limite au maximum les risques financiers pour le distributeur, demande néanmoins un investissement en matériel d'un coût trop élevé pour des petits consommateurs ayant de faibles ressources, notamment les consommateurs de certaines communautés rurales. I1 a été proposé de renoncer totalement au comptage de manière à réduire au minimum le coût de branchement de petits consommateurs à un réseau électrique. I1 serait ainsi possible d'utiliser un matériel de branchement très simplifié comportant pour chaque utilisateur un disjoncteur de branchement de très faible calibre, par exemple 2,5 A. En l'absence de comptage, le paiement de l'électricité au distributeur serait réalisé sur une base forfaitaire, simplement sous la forme d'un abonnement par exemple. Pour dissuader une fraude massive par pontage du disjoncteur il a été envisagé de disposer un disjoncteur additionnel, collectif, en amont des disjoncteurs de branchement individuels. A titre d'exemple, quatre disjoncteurs individuels de calibre 2,5A seraient connectés à un disjoncteur collectif de 10 A. Si l'un des utilisateurs court-circuite son disjoncteur individuel pour disposer d'une puissance plus élevée, cette fraude est détectée par le disjoncteur collectif qui s'ouvre dès que l'intensité totale du courant excède 10A. Ceci pénaliserait l'ensemble des utilisateurs connectés au disjoncteur collectif. Un tel système n'a cependant jamais été mis en oeuvre car il pose des problèmes du point de vue sélectivité, en raison notamment des faibles calibres utilisés et de leur proximité, et également parce qu'il ne fournit aucune garantie de paiement au distributeur. L'invention a pour but un système économique permettant à la fois d'assurer la protection électrique de l'utilisateur final et le comptage de l'électricité avec une gestion d'énergie à prépaiement. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'ensemble de protection et de gestion d'énergie à prépaiement est destiné à alimenter une pluralité d'utilisateurs, en ce qu'il comporte trois conducteurs secondaires de phase en amont des moyens de protection, en ce qu'un nombre prédéterminé d'utilisateurs est connecté à chaque conducteur secondaire de phase, et en ce que les moyens de protection comportent un disjoncteur magnétique tétrapolaire commun comportant un pôle neutre traversé par le conducteur primaire de neutre et trois pôles de phase respectivement traversés par un des trois conducteurs secondaires de phase, les moyens de mesure du courant comportant trois capteurs de courant respectivement associés aux trois conducteurs secondaires de phase, le disjoncteur commun comportant une entrée de commande connectée aux moyens de gestion d'énergie, communs à tous les utilisateurs, de manière à assurer l'interruption de l'alimentation lorsque le montant du crédit est nul ainsi qu'en cas de surcharge dans l'un des conducteurs secondaires de phase, les moyens de protection comportant également une pluralité de disjoncteurs individuels, associés respectivement à chacun des utilisateurs et assurant une protection magnétique et une protection différentielle dudit utilisateur. Le réseau électrique d'arrivée peut être monophasé ou triphasé. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description suivante d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple non limitatif et représenté sur les figures annexées sur lesquelles la figure 1 correspond à un réseau monophasé et la figure 2 à un réseau triphasé. Une pluralité d'utilisateurs, 12 sur la figure 1, sont connectés à un réseau électrique monophasé comportant un conducteur primaire de neutre N et un conducteur primaire de phase P. Les utilisateurs sont divisés en trois groupe de 4 utilisateurs, respectivement U11 à U14, U21 à U24 et U31 à U34. Le conducteur primaire de phase P est connecté à trois conducteurs secondaires de phase, P1, P2 et P3, respectivement associés à chacun des groupes d'utilisateurs. Un disjoncteur tétrapolaire D, commun à tous les utilisateurs, est alimenté, pôle par pôle, respectivement par les conducteurs primaire de neutre N et secondaires de phase P1, P2 et P3. I1 est associé à un circuit 1 de gestion d'énergie à prépaiement connecté à des capteurs de courant 2, 3 et 4, respectivement associés aux conducteurs secondaires de phase P1, P2 et P3, pour fournir au circuit 1 des signaux représentatifs du courant parcourant le conducteur associé. De manière connue, le circuit 1 de gestion d'énergie à prépaiement comporte un circuit de traitement 5, à microprocesseur, connecté à une mémoire 6, un afficheur 7, et un circuit d'entrée constitué par un clavier 8 sur la figure. Le circuit de traitement 5 peut commander l'ouverture du disjoncteur D. Le branchement des utilisateurs finaux au conducteur primaire de neutre et au conducteur secondaire de phase associé au groupe est réalisé par l'intermédiaire de disjoncteurs individuels, un disjoncteur individuel DU étant associé à un utilisateur Uij, où i correspond au numéro du groupe considéré (i = 1 à 3) et j correspond au numéro de l'utilisateur dans le groupe (sur la figure j = 1 à 4). Chaque disjoncteur individuel Dij est ainsi traversé par un conducteur final de neutre Nij, connecté au conducteur primaire de neutre N, et par un conducteur final de phase Pij, connecté au conducteur secondaire de phase Pi correspondant. Dans un mode de réalisation particulier, chaque groupe d'utilisateurs comporte 4 utilisateurs. Le disjoncteur individuel associé à un utilisateur est un disjoncteur de très faible calibre, par exemple de calibre 2,5A, comportant un différentiel de 30 mA. Une telle puissance est par exemple suffisante pour assurer l'éclairage et l'utilisation d'un téléviseur et d'un réfrigérateur. Chaque disjoncteur individuel assure ainsi la protection des biens et des personnes pour l'utilisateur correspondant. n contrôle également la puissance autorisée au niveau individuel puisqu'il s'ouvre si le courant excède 2,5A. Le disjoncteur tétrapolaire commun D est un disjoncteur très basse puissance assurant la protection des câbles de distribution P1, P2, P3. Dans le mode de réalisation considéré c'est un disjoncteur de calibre 30A, avec un différentiel sélectif de 500 mA. En fait on utilise un disjoncteur de calibre 30A limité à 10A par phase, le neutre devant accepter les courants des 3 groupes. Le circuit 1 de gestion d'énergie peut réaliser un comptage d'énergie séparément pour chaque conducteur secondaire de phase, donc pour chaque groupe d'utilisateurs, à partir de la mesure du courant par le capteur de courant correspondant. Ce comptage peut être mis en mémoire dans la mémoire 6 et affiché sur l'afficheur 7. Tant qu'un crédit d'énergie non nul est mémorisé dans la mémoire 6 du circuit 1, le circuit 1 assure la comptage de l'énergie consommée par chaque groupe d'utilisateurs, calcule la somme arithmétique de l'énergie consommée par les trois groupes et réduit en conséquence le montant du crédit mémorisé. Lorsque le montant du crédit est nul le circuit 1 commande l'ouverture du disjoncteur D, interrompant ainsi l'alimentation en électricité de tous les utilisateurs connectés au disjoncteur commun. De manière connue dans les systèmes de gestion à prépaiement, le crédit restant peut être affiché en permanence par le circuit 1 et le montant du crédit peut être modifié à tout moment par l'introduction dans le circuit de gestion d'un code correspondant au prépaiement d'une quantité d'énergie prédéterminée. Le disjoncteur D assure automatiquement la protection contre les courts-circuits et contre les défauts d'isolement dans les 3 conducteurs secondaires de phase et dans le conducteur de neutre. De plus, en liaison avec le circuit de gestion 1, il assure le contrôle de la limite de puissance autorisée pour l'ensemble des utilisateurs d'un groupe, ou contrôle de surcharge dans l'un des conducteurs secondaires de phase. Pour cela le circuit de gestion 1 compare chacun des courants mesurés à une courbe de déclenchement long retard appropriée. Une telle courbe, correspondant à un seuil de courant de 10A dans le mode de réalisation considéré, permet néanmoins de faibles dépassements pendant plusieurs minutes et de fortes pointes sur quelques secondes. Une telle temporisation est plus particulièrement adaptée aux différents types de charges normalement connectées dans chaque ensemble, par exemple à l'utilisation de réfrigérateurs. L'ensemble décrit ci-dessus permet de limiter le coût de l'installation pour chaque utilisateur, tout en procurant une protection satisfaisante des biens et des personnes et en assurant une sécurité financière au distributeur grâce au circuit de gestion à prépaiement. L'ensemble est en effet constitué, pour 12 utilisateurs finaux, de 12 disjoncteurs individuels et d'un ensemble de prépaiement commun centralisé, lui-même constitué par le disjoncteur tétrapolaire D de faible puissance, 3 capteurs de mesure 2, 3 et 4, et le circuit de gestion d'énergie à prépaiement 1. Les disjoncteurs individuels, de très faible calibre, sont très bon marché et le prix de l'ensemble commun, divisé par le nombre d'utilisateurs, n'est plus prohibitif. L'utilisation d'un disjoncteur tétrapolaire alimentant séparément les trois groupes d'utilisateurs est particulièrement intéressant. En effet il permet d'alimenter trois fois plus de clients finaux avec un seul circuit de gestion d'énergie à prépaiement associé, et son prix est inférieur à celui de trois disjoncteurs monophasés individuels. Si l'un des utilisateurs tente de frauder en court-circuitant son disjoncteur individuel pour dépasser la puissance qui lui est allouée, cette surcharge sera détectée par le circuit de gestion qui est programmé pour détecter sur chaque conducteur secondaire de phase une surcharge supérieure à 4 fois la puissance maximum allouée à chaque utilisateur. Une telle surcharge conduit alors automatiquement à l'ouverture du disjoncteur D et à l'interruption de l'alimentation en électricité de tous les utilisateurs, qu'ils appartiennent ou non au même groupe que l'utilisateur indélicat. Un responsable de la communauté formée par les utilisateurs est chargé du bon fonctionnement de l'ensemble, notamment du prépaiement. En cas de fraude d'un utilisateur conduisant à l'interruption de l'alimentation de l'ensemble des utilisateurs, il sera chargé par ceux-ci de détecter le fraudeur. La responsabilité de la gestion d'énergie est ainsi reportée sur la collectivité. Le nombre d'utilisateurs par groupe est à déterminer pour permettre une solution optimum. En effet, plus le nombre d'utilisateurs par groupe est grand, plus le coût d'un branchement individuel est faible, le coût de l'ensemble centralisé étant divisé entre un plus grand nombre d'utilisateurs. Par contre, plus le nombre d'utilisateurs par groupe est élevé, plus le risque est grand qu'un abus d'un seul utilisateur passe inaperçu dans la masse. Ainsi, un disjoncteur D commun limité à 10A par phase permet facilement de détecter la fraude d'un utilisateur parmi 4 ayant un disjoncteur individuel de 2,5A ou parmi 5 ayant un disjoncteur individuel de 2A. Par contre si 20 utilisateurs ayant un disjoncteur individuel de 2,5A sont connectés à un disjoncteur commun limité à 50A par phase, la fraude d'un seul utilisateur risque de passer inaperçue. Dans la pratique une solution optimum est constituée par 4 utilisateurs par groupe, avec un disjoncteur commun de calibre 10A ou par 8 utilisateurs par groupe avec un disjoncteur commun de calibre 20A, soit respectivement 12 ou 24 utilisateurs finaux alimentés par un réseau primaire fournissant respectivement 30A ou 60A. En variante (figure 2) si le réseau d'arrivée le permet, c'est à dire s'il s'agit d'un réseau à 4 fils comportant le conducteur de neutre N et trois conducteurs primaires de phase en décalage de 1200, l'alimentation primaire peut être triphasée. Chaque conducteur primaire de phase est alors connecté à un conducteur secondaire de phase P1, P2,P3 correspondant. Le conducteur de neutre N est alors parcouru par le courant déséquilibré entre phases, et non par la somme des trois courants monophasés. I1 peut donc être dimensionné pour le même courant maximum que chacune des phases. I1 est alors possible d'alimenter trois fois plus d'utilisateurs qu'avec un réseau monophasé, avec un disjoncteur commun de même calibre. Par exemple, avec un disjoncteur tétrapolaire de calibre 30A alimenté en triphasé on peut alors connecter 12 utilisateurs à chaque conducteur secondaire de phase, et pour un disjoncteur tétrapolaire de calibre 60A alimenté en triphasé on peut connecter 24 utilisateurs à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A. I1 est également possible, en conservant le même nombre d'utilisateurs que dans le cas d'un réseau monophasé, d'utiliser un disjoncteur tétrapolaire de plus faible calibre, donc moins cher. A titre d'exemple, 4 ou 8 utilisateurs peuvent être connectés à chaque conducteur secondaire de phase, le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 10A ou, respectivement, de calibre 20A. Dans un mode de réalisation préférentiel chaque disjoncteur individuel est un disjoncteur muni d'une prise de courant (figs 1 et 2). En faisant appel au sens de la responsabilité collective pour la gestion de l'énergie, un tel ensemble permet d'apporter une solution économique au problème de l'électrification dans des zones rurales avec de petits consommateurs ayant peu de moyens, tout en assurant une bonne sécurité des biens et des personnes et en garantissant le paiement de l'électricité au distributeur. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de protection et de gestion d'énergie à prépaiement alimenté par un réseau électrique comportant un conducteur primaire de neutre (N) et au moins un conducteur primaire de phase (P), ensemble comportant - des moyens (1-4) de gestion d'énergie à prépaiement comportant des moyens d'entrée (8) et de mémorisation (6) d'un crédit d'énergie, des moyens (2-4) de mesure du courant, des moyens de comptage de la quantité d'énergie consommée et des moyens pour réduire le montant du crédit mémorisé en fonction de la quantité d'énergie consommée, - des moyens de protection comportant des moyens pour interrompre l'alimentation en énergie en cas de défaut ainsi que, sous le contrôle des moyens de gestion d'énergie, lorsque le montant du crédit est nul, ensemble caractérisé en ce qu'il est destiné à alimenter une pluralité d'utilisateurs (U11 U14, U21-U24, U31-U34), en ce qulil comporte trois conducteurs secondaires de phase (P1,P2,P3) en amont des moyens de protection, en ce qu'un nombre prédéterminé d'utilisateurs est connecté à chaque conducteur secondaire de phase et en ce que les moyens de protection comportent un disjoncteur magnétique tétrapolaire (D) commun comportant un pôle neutre traversé par le conducteur primaire de neutre (N) et trois pôles de phase respectivement traversés par un des trois conducteurs secondaires de phase (P1,P2,P3), les moyens de mesure du courant comportant trois capteurs de courant (2-4) respectivement associés aux trois conducteurs secondaires de phase, le disjoncteur (D) commun comportant une entrée de commande connectée aux moyens de gestion d'énergie (1), communs à tous les utilisateurs, de manière à assurer l'interruption de l'alimentation lorsque le montant du crédit est nul ainsi qu'en cas de surcharge dans l'un des conducteurs secondaires de phase (P1-P3), les moyens de protection comportant également une pluralité de disjoncteurs individuels (Dl l-D14, D21-D24, D31-D34), associés respectivement à chacun des utilisateurs et assurant une protection magnétique et une protection différentielle dudit utilisateur. 2. - Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de gestion d'énergie comportent trois moyens de comptage d'énergie distincts associés respectivement à chaque capteur de courant. 3. - Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le réseau électrique est un réseau monophasé comportant le conducteur de neutre (N) et un seul conducteur primaire de phase (P), le conducteur primaire de phase étant connecté aux trois conducteurs secondaires de phase (P1, P2, P3) en amont des moyens de protection. 4. - Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que 4 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 30A, limité à 10A par phase. 5. - Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que 8 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 60A, limité à 20A par phase. 6. - Ensemble, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le réseau électrique est un réseau triphasé comportant le conducteur de neutre et trois conducteurs primaires de phase respectivement connectés aux trois conducteurs secondaires de phase. 7. - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que 4 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 10A 8. - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que 8 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 20A 9. - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que 12 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 30A 10. - Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que 24 utilisateurs sont connectés à chaque conducteur secondaire de phase, chaque disjoncteur individuel étant un disjoncteur de calibre 2,5A et le disjoncteur tétrapolaire étant un disjoncteur de calibre 60A