Brevet FR2790881A1 — publié le 20000915

La présente invention concerne un appareil de pro- tection et de commande de système électrique de puissance pour protéger et commander, quand une condition anormale se produit, un système électrique de puissance en recueillant des informations de courant et de tension du système élec- trique de puissance. La fig. 4 est un diagramme synoptique représentant une section d'entrée de courant et de tension de système d'un appareil classique de protection et de commande de sys- tème électrique de puissance décrit, par exemple, dans la publication de brevet japonais n 3-79932/1991. A la fig. 4, les symboles de référence Ia à Id désignent chacun un signal de courant (courant de système) envoyé depuis un système électrique 21 de puissance; le numéro de référence 22 dé- signe un transformateur d'entrée incorporant des résistances 27 de conversion courant-tension reliées à ses enroulements secondaires; 23 désigne un générateur de signal de référen- ce pour produire un signal de référence Eref; 24 désigne des filtres pour éliminer des composantes parasites de fré- quence contenues dans l'un des signaux de courant de système traversant le transformateur 22 d'entrée; 25 désigne des circuits d'échantillonnage et de maintien pour maintenir pendant une période fixée de temps un des signaux de sortie des filtres 24 à des intervalles prédéterminés; et 26 dés- igne un multiplexeur pour sélectionner séquentiellement l'un des signaux de tension maintenus par les circuits 25 d'échantillonnage et de maintien et pour l'envoyer à un convertisseur analogique-numérique 12. Le numéro de référence 9 désigne une section de traitement numérique pour traiter des données numériques émises par le convertisseur analogique-numérique 12 et pour produire un signal 31 d'alarme quand elle détecte un défaut. Ensuite, le fonctionnement de l'appareil classique de protection et de commande de système électrique de puis- sance va être décrit. Le transformateur 22 d'entrée transforme, selon un rapport de transformation, les signaux de courant, Ia à Id, envoyés à ses enroulements primaires, les envoie aux résis- tances 27 de conversion courant-tension reliées aux enroule- ments secondaires pour les transformer en des signaux de tension déterminés par le produit des valeurs de courant par les valeurs de résistance, et les envoie aux filtres 24. Les signaux de tension émis par les filtres 24 sont maintenus par les circuits 25 d'échantillonnage et de maintien, convertis séquentiellement en des signaux numériques au moyen du multiplexeur 26 et du convertisseur analogique- numérique 12, et traités par la section 9 de traitement numérique. Avec la configuration précédente, il est nécessaire que l'appareil classique de protection et de commande de système électrique de puissance soit conçu de sorte que les tensions secondaires ne saturent pas le transformateur 22 d'entrée. Dans ce but, le transformateur 22 d'entrée doit avoir une section de noyau et un nombre de tours de ses en- roulements suffisamment importants. En conséquence, le transformateur 22 d'entrée devient plutôt volumineux et coû- teux, ce qui entraîne une augmentation de taille et de coût de son boîtier. De plus, étant donné que les tensions secondaires du transformateur 22 d'entrée induisent des tensions primaires déterminées par le rapport de transformation du transforma- teur 22 d'entrée, les tensions primaires constituent une charge sur un transformateur de courant qui envoie les si- gnaux de courant provenant du système électrique de puissan- ce au transformateur 22 d'entrée. Ceci présente un autre problème d'augmentation de taille et de coût pour le trans- formateur de courant. La présente invention est mise en oeuvre pour résou- dre les problèmes précédents. C'est donc un but de la pré- sente invention de fournir un appareil de protection et de commande de système électrique de puissance qui soit capable de réduire la taille et le coût à la fois du transformateur d'entrée et du transformateur de courant. Selon une caractéristique de la présente invention, il est créé un appareil de protection et de commande de sys- tème électrique de puissance comprenant: un transformateur d'entrée pour recueillir un signal de courant provenant d'un système électrique de puissance; un convertisseur courant- tension relié à un enroulement secondaire du transformateur d'entrée pour convertir un signal de courant émis par le transformateur d'entrée en un signal de tension, l'impédance d'entrée du convertisseur courant- tension étant pratiquement nulle; et un convertisseur analogique- numérique pour convertir en un signal numérique un signal analogique émis par le convertisseur courant-tension. Ici, le convertisseur courant-tension dont l'impé- dance d'entrée est pratiquement nulle peut comprendre: un amplificateur opérationnel dont la borne d'entrée inverseuse est alimentée par le courant de sortie du transformateur d'entrée, et dont la borne d'entrée non inverseuse est ali- mentée par un potentiel de masse; et une résistance de ré- troaction branchée entre une borne de sortie de l'amplificateur opérationnel et la borne d'entrée inverseuse. L'appareil de protection et de commande de système électrique de puissance peut comprendre en outre des diodes branchées tête-bêche entre la borne d'entrée inverseuse et la borne d'entrée non inverseuse. L'appareil de protection et de commande de système électrique de puissance peut comprendre en outre un filtre pour éliminer des composantes parasites de fréquence contenues dans le signal de sortie du convertisseur courant-tension. Le filtre peut comprendre un condensateur branché en parallèle avec la résistance de rétroaction. La fig. 1 est un diagramme synoptique représentant un premier mode de réalisation d'un appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la présente invention; la fig. 2 est un diagramme de circuit représentant un convertisseur courant-tension, portion principale d'un deuxième mode de réalisation de l'appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la pré- sente invention; la fig. 3 est un diagramme de circuit représentant un convertisseur courant-tension, portion principale d'un troisième mode de réalisation de l'appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la pré- sente invention; et la fig. 4 est un diagramme synoptique représentant un appareil classique de protection et de commande de systè- me électrique de puissance. L'invention va être décrite maintenant en se réfé- rant aux dessins joints. MODE DE REALISATION N 1 La fig. 1 est un diagramme synoptique représentant un premier mode de réalisation d'un appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la présente invention. A la fig. 1, le numéro de référence 1 désigne un transformateur de courant (CT) pour transformer un signal de courant d'un système électrique 21 de puissance 2 désigne un transformateur d'entrée pour transformer le signal de courant envoyé par le transformateur 1 de courant en un niveau de courant convenant à un traitement, et 5 dés- igne un convertisseur courant-tension pour convertir le si- gnal de courant envoyé par le transformateur 2 d'entrée en un signal de tension. Le convertisseur courant-tension 5 a une impédance d'entrée pratiquement nulle. Le numéro de référence 6 désigne un filtre pour supprimer des composantes parasites de fréquence contenues dans le signal de courant de système converti en le signal de tension par le conver- tisseur courant-tension 5; et 7 désigne une section de traitement comprenant un convertisseur analogique-numérique pour convertir le signal analogique émis par le filtre 6 en un signal numérique, et un processeur pour traiter le signal numérique afin de mettre en oeuvre les fonctions de protec- tion et de commande. Le convertisseur courant-tension 5 comprend un am- plificateur opérationnel 3 et une résistance 4 de rétroac- tion. L'amplificateur opérationnel 3 a une borne d'entrée inverseuse à laquelle est envoyé le courant de sortie du transformateur 2 d'entrée, et une borne d'entrée non inver- seuse qui est placée au potentiel de la masse. La résistance 4 de rétroaction est branchée entre la borne de sortie et la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3, constituant ainsi un amplificateur inverseur. Le fonctionnement du présent premier mode de réali- sation va être décrit maintenant. Le courant de système est transformé en un courant secondaire I1 du transformateur 1 de courant, déterminé par le rapport de transformation du transformateur 1 de courant, et est injecté dans le transformateur 2 d'entrée. Le trans- formateur 2 d'entrée le transforme en un courant secondaire 12 déterminé par le rapport de transformation du transforma- teur 2 d'entrée et l'envoie à la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3 constituant le convertis- seur courant-tension 5. Dans ce cas, la tension secondaire E2 du transformateur 2 d'entrée est créée comme étant le produit du courant secondaire 12 du transformateur 2 d'en- trée par la résistance d'entrée du convertisseur courant- tension 5. On va décrire ici le fonctionnement interne du convertisseur couranttension 5 en traitant les deux points suivants. (1) La tension secondaire E2 du transformateur 2 d'entrée est nulle quelle que soit la valeur du courant se- condaire du transformateur 1 de courant, autrement dit, de l'entrée au transformateur 2 d'entrée. (2) Le convertisseur courant-tension 5 émet une ten- sion E3 qui est directement proportionnelle au courant pri- maire I1 et au courant secondaire 12 du transformateur 2 d'entrée, ce qui réalise ainsi correctement la fonction de conversion courant-tension. (1) LA TENSION SECONDAIRE E2 DU TRANSFORMATEUR 2 D'ENTREE EST THEORIQUEMENT NULLE. Comme il est bien connu, l'amplificateur opération- nel 3 fonctionne fondamentalement de sorte que la différence de potentiel entre l'entrée inverseuse et l'entrée non in- verseuse est maintenue à zéro. Ce comportement est appelé "court-circuit imaginal". Etant donné que la borne d'entrée inverseuse a une relation de court-circuit imaginal avec la borne d'entrée non inverseuse, le potentiel de la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3 est maintenu à zéro quelle que soit la valeur du courant secon- daire 12 du transformateur 2 d'entrée. Ceci indique que la tension secondaire E2 du transformateur 2 d'entrée est théo- riquement nulle. Dans le transformateur 2 réel d'entrée, cependant, une très petite tension secondaire E2 apparait comme le produit du courant secondaire 12 par une résistance secondaire d'enroulement qui est inévitable en pratique. (2) LA TENSION E3 DE SORTIE EST DIRECTEMENT PROPORTIONNELLE AU COURANT PRIMAIRE I1 ET AU COURANT SECONDAIRE 12 DU TRANS- FORMATEUR 2 D'ENTREE Le court-circuit imaginal décrit ci-dessus est basé sur le principe que la somme totale du courant circulant dans la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opéra- tionnel 3 est nulle, ce qui est obtenu en annulant le cou- rant secondaire 12 du transformateur 2 d'entrée par la fourniture du courant IF de rétroaction depuis la borne de sortie vers la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3, par l'intermédiaire de la résistance 4 de rétroaction. En d'autres termes, 12 = -IF. Ainsi, la tension E3 de sortie de l'amplificateur opérationnel 3 est exprimée par l'équation suivante (1): E3 = IF x R2 (1) Etant donné que 12 = -IF, l'équation (1) peut être remplacée par l'équation (2) suivante: E3 = -I2 x R2 (2) L'équation (2) montre que la tension E3 de sortie est directement proportionnelle au courant secondaire 12 du transformateur 2 de sortie. Comme décrit ci-dessus, le présent mode de réalisa- tion n 1 peut réduire la tension secondaire E2 du transfor- mateur 2 d'entrée à une valeur très petite due à la résistance de l'enroulement secondaire, ce qui à son tour peut réduire la section du noyau et le nombre de spires des enroulements à une valeur telle que la très petite tension secondaire E2 ne sature pas le noyau. De plus, ceci permet au transformateur d'entrée de remplir sa fonction originelle de créer la tension proportionnelle à son courant secondaire. MODE DE REALISATION N 2 Bien que le mode de réalisation précédent constitue un convertisseur courant-tension 5 utilisant un circuit électronique dont l'impédance d'entrée ou résistance d'en- trée est presque nulle (pratiquement nulle), ceci nécessite que le courant secondaire I2 du transformateur 2 d'entrée soit annulé par le courant IF de rétroaction fourni par la borne de sortie à la borne d'entrée inverseuse de l'amplifi- cateur opérationnel 3. Cependant, quand le courant secondai- re 12 est trop grand, l'amplificateur opérationnel 3 ne peut pas fournir un courant IF de rétroaction suffisant pour maintenir le court-circuit imaginal, parce que l'amplifica- teur opérationnel 3 ne peut pas produire une tension supé- rieure à la tension d'alimentation. Dans un tel cas, l'amplificateur opérationnel 3 peut être détruit. Compte tenu de ceci, le présent mode de réali- sation n 2 branche deux diodes 9a et 9b tête-bêche entre la borne d'entrée inverseuse et la borne d'entrée non inverseu- se de l'amplificateur opérationnel 3, comme représenté à la fig. 2. On va décrire ensuite le fonctionnement des diodes 9a et 9b montées tête-bêche. Les diodes 9a et 9b qui sont montées tête-bêche peu- vent maintenir la différence de potentiel entre les deux bornes d'entrée à une valeur sensiblement nulle. C'est le cas même si l'amplificateur opérationnel 3 ne peut pas main- tenir le court-circuit imaginal entre les bornes d'entrées inverseuse et non inverseuse. Ainsi, le mode de réalisation n 2 peut maintenir la différence de potentiel entre les deux bornes d'entrée de l'amplificateur opérationnel 3 à une valeur sensiblement nulle en utilisant les diodes tête-bêche, ce qui empêche ainsi l'amplificateur opérationnel 3 d'être endommagé par un niveau trop élevé d'entrée. MODE DE REALISATION N 3 Bien que la sortie du convertisseur courant-tension 5 soit envoyée au filtre analogique 6 pour éliminer les com- posantes parasites de fréquence dans les modes de réalisa- tion précédents n 1 et n 2, le présent mode de réalisation n 3 constitue le filtre pour éliminer les composantes à haute fréquence en branchant un condensateur 10 en parallèle avec la résistance 4 de rétroaction, comme représenté à la fig. 3. On va décrire ensuite le fonctionnement du présent mode de réalisation n 3. Etant donné que le condensateur 10 a une impédance faible pour des composantes à haute fréquence, l'impédance du circuit de rétroaction consistant en le condensateur 10 et la résistance 4 de rétroaction branchée en parallèle est réduite à une fréquence élevée. Etant donné que la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 3 est le produit du courant de rétroaction IF par l'impédance du circuit de rétroaction, la tension E3 de sortie est réduite vers les hautes fréquences, ce qui constitue un filtre d'élimination des hautes fréquences. Comme décrit ci-dessus, le présent mode de réalisa- tion n 3 peut supprimer les composantes à haute fréquence sans augmenter la tension E3 de sortie du transformateur 2 d'entrée. Ceci permet d'utiliser un transformateur d'entrée de petite taille, qui n'est pas saturé par la très faible tension E2 de sortie tout en conservant la section de son noyau et le nombre de spires de ses enroulements à des va- leurs faibles. REVENDICATIONS 1. Appareil de protection et de commande de système électrique de puissance comprenant: un transformateur d'entrée (2) pour recueillir un signal de courant provenant d'un système électrique (21) de puissance; un convertisseur courant-tension (5) relié à un en- roulement secondaire dudit transformateur d'entrée (2) pour convertir un signal de courant émis par ledit transformateur d'entrée en un signal de tension, l'impédance d'entrée dudit convertisseur courant-tension (5) étant pratiquement nulle; et un convertisseur analogique-numérique (7) pour convertir en un signal numérique un signal analogique émis par ledit convertisseur courant-tension (5). 2. Appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la revendication 1, dans le- quel ledit convertisseur courant-tension (5) ayant une impé- dance d'entrée pratiquement nulle comprend: un amplificateur opérationnel (3) ayant une borne d'entrée inverseuse alimentée par le courant d'entrée dudit transformateur d'entrée (2), et ayant une borne d'entrée non inverseuse reliée au potentiel de la masse; et une résistance (4) de rétroaction branchée entre une borne de sortie dudit amplificateur opérationnel (3) et la- dite borne d'entrée inverseuse. 3. Appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre des diodes (9a, 9b) branchées tête-bêche entre la- dite borne d'entrée inverseuse et ladite borne d'entrée non inverseuse. 4. Appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la revendication 2, comprenant en outre un filtre (6; 4, 10)) pour éliminer des composan- tes parasites de fréquence contenues dans le signal de sor- tie dudit convertisseur courant-tension (5). 1 1 5. Appareil de protection et de commande de système électrique de puissance selon la revendication 4, dans le- quel ledit filtre comprend un condensateur (10) branché en parallèle avec ladite résistance (4) de rétroaction.