Brevet FR2794244A1 — publié le 20001201

-1 La présente invention concerne un dispositif pour surveiller le courant d'un conducteur électrique, en particulier un dispositif de surveillance de courant de court-circuit, comportant une bobine détectrice qui entoure le conducteur et dont les valeurs de mesure sont transmises à un comparateur, lequel est sollicité par une valeur théorique définissant une valeur seuil d'indication réglable, et active un élément de signalisation si la comparaison valeur mesurée- valeur théorique montre que la valeur seuil d'indication est atteinte. Un dispositif présentant les caractéristiques qui viennent d'être spécifiées est bien connu. La bobine détectrice a un noyau en matériau magnétique, plus exactement en fer. En conséquence, il est possible de procéder à la comparaison connue valeur mesurée-valeur théorique sur la base de valeurs mesurées d'énergie élevée, car le noyau de fer permet un découplage puissant. Mais le noyau de fer provoque un découplage défectueux et, de ce fait, des valeurs de mesure erronées. Le noyau de fer peut influencer des champs magnétiques qui proviennent de courants qui ne passent pas dans le conducteur électrique surveillé. Il s'agit par exemple de courants qui circulent dans des conducteurs voisins, de par la construction. De plus, le noyau de fer ou sa configuration fausse le résultat de mesure, par exemple en raison de pertes par inversion magnétique du matériau du noyau. C'est pourquoi l'invention a pour but de perfectionner le dispositif présentant les caractéristiques spécifiées en introduction, pour qu'il effectue une mesure plus précise et non influencée par les champs magnétiques étrangers. Ce but est atteint grâce au fait qu'un enroulement de la bobine détectrice est enroulé sur un support d'enroulement non magnétique à aire de section constante et s'étend au moins approximativement sur toute la circonférence du conducteur. Pour l'invention, il est important que la bobine détectrice comporte un support d'enroulement non magnétique 2 2794244 à aire de section constante. Comme le support d'enroulement est non magnétique, il n'est pas influencé par les champs étrangers et il ne constitue pas lui-même une source d'erreurs de mesure dues à des inversions magnétiques. L'aire de section constante du support d'enroulement garantit que l'induction provoquée dans l'enroulement par le champ magnétique du conducteur électrique soit la même partout. Pour la configuration du support d'enroulement, il faut ajouter que l'enroulement s'étend au moins approximativement sur toute la circonférence du conducteur. En conséquence, la bobine détectrice couvre tout le champ magnétique du conducteur à surveiller, par rapport à la section transversale. Il s'agit d'un champ rotationnel, par rapport à l'enroulement enveloppant de la bobine détectrice. La circulation de vecteur de ce champ rotationnel a une valeur différente de zéro, qui est proportionnelle au courant de conducteur entouré. En revanche, les champs magnétiques étrangers, qui ne proviennent donc pas du conducteur entouré par la bobine détectrice, sont des champs irrotationnels. La circulation de vecteur des champs irrotationnels est toutefois nulle. Les différentes tensions partielles induites dans les spires de la bobine détectrice se compensent et n'influencent pas, ou que faiblement, la tension aux bornes émise dans l'ensemble par la bobine détectrice. Le dispositif peut être perfectionné pour que le support d'enroulement soit cylindrique. La forme cylindrique du support d'enroulement adapte celui-ci à l'extension allongée du conducteur électrique et, ainsi, au champ magnétique de celui-ci, qui est cylindrique au moins à proximité du conducteur électrique. On obtient ainsi un rendement d'induction optimal à partir de zones de champ magnétique d'intensités à peu près égales. Le dispositif est perfectionné d'une manière appropriée pour que la bobine détectrice soit plate, dans le sens radial du conducteur, et présente un nombre de spires élevé pour une aire de section faible. Une bobine 3 2794244 détectrice de ce type de construction peut être appelée bobine Rogovski. Du fait de sa forme plate, elle s'étend avec tous ses éléments recevant l'induction à peu près à la même distance de l'axe de la bobine détectrice. Cela constitue une forme avantageuse en ce qui concerne la forme cylindrique du champ magnétique du conducteur surveillé, si on suppose que le conducteur et la bobine détectrice plate sont disposés suivant le même axe ou suivant des axes parallèles. Dans ces conditions de construction, la circulation de vecteur devient nulle ou aussi faible que possible. Si les spires de l'enroulement sont enroulées régulièrement sur le support d'enroulement, on obtient une incidence positive sur le résultat de mesure compte tenu de la réalisation d'une faible incidence des champs étrangers et d'une faible tolérance du seuil d'indication. Le résultat de mesure est donc précis et l'élément de signalisation est déclenché sans grandes tolérances de mesure. Il est préférable de disposer la bobine détectrice de manière concentrique par rapport au conducteur. Une disposition excentrée de la bobine détectrice est également possible, et elle n'entraîne pas de changement notable du seuil d'indication. La disposition concentrique de la bobine détectrice est toutefois avantageuse et préférable lorsqu'il faut s'attendre à une forme asymétrique du champ magnétique du conducteur à surveiller, par exemple en raison d'éléments magnétiques voisins. Le dispositif peut être conçu pour que la bobine détectrice soit reliée à un amplificateur dont les valeurs de sortie permettent de déclencher le comparateur. A l'aide de l'amplificateur, les valeurs de mesure de la bobine détectrice sont augmentées jusqu'à la zone de potentiel dans laquelle le comparateur peut être déclenché. La courbe caractéristique de l'amplificateur peut être calculée pour que les valeurs de mesure ne soient pas faussées. Il est possible d'utiliser des bobines détectrices qui sont 4 2794244 petites et qui ne fournissent que des valeurs de mesure faibles ou qui ne mesurent que des champs magnétiques de faible intensité. D'une manière appropriée, le dispositif est conçu pour qu'un redresseur soit monté entre l'amplificateur et le comparateur. Le redresseur convertit les valeurs de mesure reçues sous la forme de mesures de tension alternative ou les valeurs de mesure amplifiées, en vue de l'évaluation par le comparateur. Pour être indépendant d'une alimentation extérieure, le dispositif est conçu de manière à avoir une alimentation en tension de l'amplificateur et/ou du comparateur et/ou de l'élément de signalisation qui est alimentée par un conducteur surveillé. En conséquence, le conducteur surveillé sert en même temps à l'alimentation en énergie ou en tension du dispositif de surveillance. Le dispositif de mesure proprement dit, de la bobine détectrice jusqu'au comparateur, n'a pas à être conçu pour devoir assurer en même temps une alimentation en énergie. Il en résulte une possibilité fondamentale de concevoir le branchement de mesure, qui va donc de la bobine détectrice au comparateur, entièrement indépendamment de l'alimentation en tension. Cela renforce la configuration du dispositif en ce qui concerne les faibles tolérances du seuil d'indication et l'empêchement d'un couplage direct du branchement de mesure proprement dit du dispositif avec le conducteur à surveiller. Pour obtenir une alimentation en tension suffisante, on peut concevoir le dispositif pour que l'alimentation en tension comporte une bobine qui est enroulée sur un support composé de matériau magnétique et entourant un conducteur surveillé. Ainsi, l'alimentation en tension peut être concue pour un découplage d'énergie optimal. D'une manière appropriée, le dispositif est perfectionné pour que la bobine soit reliée à un circuit redresseur. La tension obtenue à l'aide du découplage direct peut être convertie d'une manière requise à l'aide 2794244 du circuit redresseur en vue d'alimenter en tension continue les éléments du branchement de mesure. Un autre mode de réalisation de l'invention est caractérisé en ce que l'alimentation en tension comporte un circuit limiteur de tension, grâce auquel une tension d'alimentation n'est transmise aux éléments du dispositif à alimenter que suivant l'intensité autorisée, moyennant quoi une stabilisation de la tension d'alimentation est également possible. L'invention va être décrite en référence à un exemple de réalisation représenté sur les dessins, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe du dispositif de surveillance, avec les principaux composants, la figure 2a est une coupe transversale du conducteur surveillé, dans la zone de la bobine détectrice, la figure 2b est une coupe de la bobine détectrice, réalisée dans le sens longitudinal du conducteur surveillé, la figure 2c est une vue de dessus de la bobine détectrice qui entoure le conducteur surveillé, et la figure 3 est une représentation partielle agrandie, en perspective, d'une alimentation en tension pour le découplage direct d'une tension d'alimentation. La figure 1 représente en perspective un conducteur électrique 10 à surveiller. Ce conducteur fait partie, par exemple, d'une installation de distribution électrique dans laquelle il est disposé par exemple parallèlement à d'autres conducteurs non représentés sur la figure 1, et il fait partie d'un réseau triphasé pour des installations à moyenne tension. Des installations à moyenne tension pour réseaux à courant alternatif ou triphasé sont pourvues de dispositifs pour surveiller des courants de conducteurs, par exemple en vue de surveiller le courant de court- circuit. En cas de court-circuit apparaissent des courants élevés qui doivent être enregistrés avec une technique de mesure fiable afin d'empêcher une dégradation de l'installation ou du réseau surveillé. Le dispositif peut aussi être mis en oeuvre avantageusement pour surveiller 6 2794244 des contacts à la terre. On effectue par exemple une surveillance globale de conducteurs individuels, qui offre une possibilité d'avertissement et/ou de connexion au cas o le courant total est différent de zéro. La surveillance du courant du conducteur électrique 10 se fait à l'aide d'une bobine détectrice 11 qui entoure le conducteur 10. Chaque courant à amplitude variable qui traverse le conducteur 10 forme un champ magnétique d'intensité correspondante qui induit des courants dans la bobine détectrice 11, de sorte que des tensions de mesure correspondantes peuvent être prélevées. Les valeurs de tension de mesure sont proportionnelles aux valeurs de courant présentes dans le conducteur 10. La configuration de la bobine détectrice 11 du point de vue de la précision des valeurs de mesure relevées est particulièrement importante. Les figures 2a à 2c montrent que le conducteur 10 est entouré par une isolation 25. Le conducteur 10 est cylindrique et l'isolation 25 a en conséquence une forme cylindrique creuse. Pour être adaptée aux composants cylindriques 10, 25, la bobine détectrice 11 a elle aussi une forme cylindrique ou cylindrique creuse. La bobine détectrice 11 se compose d'un support d'enroulement 15 et d'un enroulement 14 porté par celui-ci. Le support d'enroulement 15 a une aire de section 16 constante qui a donc la même taille tout autour du conducteur 10 ou de l'isolation 25 de celui-ci. On peut le voir en comparant les figures 2a à 2c. Pour une bobine détectrice 11 de la même largeur, la comparaison des figures 2a et 2c montre que la largeur de l'aire de section 16 du support d'enroulement 15 est la même sur toute la circonférence de celui- ci, et la figure 2a montre que l'épaisseur de l'aire de section 16 du support d'enroulement 15 est la même sur toute la circonférence. En conséquence, on obtient pour la construction de l'enroulement 14 une symétrie totale sur toute la circonférence du conducteur 10 si l'enroulement se fait 7 2794244 régulièrement autour de la section transversale du support d'enroulement 15 et autour de la circonférence de celui-ci. L'enroulement régulier se fait d'une manière appropriée sur un support d'enroulement 15 plat, avec un fil fin et un grand nombre de spires. On obtient alors une bobine détectrice globalement plate, dans le sens radial, selon un modèle appelé généralement bobine de Rogovski. Le support d'enroulement 15 se compose d'un matériau non magnétique. Il n'a donc pas la propriété d'influencer le champ magnétique généré par les courants du conducteur électrique 10, comme ce serait le cas s'il se composait d'un matériau magnétique, par exemple avec un noyau en fer. La particularité de la bobine détectrice 11 réside dans le fait qu'elle évalue le champ magnétique généré par le courant du conducteur 10, sans être exposée à d'éventuels champs étrangers ou aux influences d'un circuit magnétique formé par un support d'enroulement. La bobine détectrice 11 entoure, si on la considère en section transversale, la source du champ magnétique à mesurer, qui est en conséquence un champ rotationnel. Ce champ magnétique rotationnel induit des courants électriques dans l'enroulement 14 de la bobine détectrice 11. Les courants se complètent pour former une valeur à l'aide de laquelle est formée la valeur de tension de mesure. Cette valeur de tension de mesure correspond au courant de conducteur entouré par la bobine détectrice 11. A l'aide de la bobine détectrice 11 est formée une circulation de vecteur dont la valeur est différente de zéro et est proportionnelle au courant de conducteur entouré. Par rapport aux champs magnétiques étrangers qui sont provoqués par les courants à l'extérieur de la bobine détectrice, il existe des champs irrotationnels. Les circulations de vecteur de champs irrotationnels sont toutefois nulles. Il en résulte que les champs étrangers ne peuvent pas avoir d'influence sur le résultat de mesure, car les tensions ou courants induits dans les enroulements de la bobine se compensent. 8 2794244 Les figures 2a à 2c montrent que la bobine détectrice 11 est disposée dans le même axe que le conducteur 10. Cela résulte de l'adaptation du diamètre intérieur de la bobine détectrice 11 au diamètre extérieur de l'isolation 25. Cela constitue une disposition particulièrement avantageuse en ce qui concerne la précision de mesure du dispositif. Au lieu de cela, cependant, une disposition excentrée de la bobine détectrice 11 est possible, et cela n'entraîne pas de changement notable du résultat de mesure. La constance de l'aire de section 16 de la bobine détectrice 11 le long de la circonférence de celle-ci et l'enroulement régulier sont essentiels pour obtenir une faible incidence des champs étrangers et une faible tolérance d'une valeur seuil d'indication. La valeur seuil d'indication est représentée par la configuration d'une chaîne de mesure qui fait suite à la bobine détectrice 11. Cette chaîne de mesure se compose d'un amplificateur 18, d'un redresseur 19, d'un comparateur 12 et d'un élément de signalisation 13. Les valeurs de mesure de la bobine détectrice 11 arrivent à l'amplificateur 18. Comme les valeurs de tension mesurées sont trop faibles pour permettre de déclencher les éléments suivants, il faut les amplifier. On y parvient avec l'amplificateur 18. A l'amplificateur 18 est relié un redresseur 19 qui transmet au comparateur 12 des valeurs de mesure de tension continue qui correspondent aux valeurs de mesure de tension alternative. Le comparateur 12 est sollicité non seulement par les valeurs de mesure réelles, mais aussi par une valeur théorique, comme on l'a représenté sur la figure 1. Avec les valeurs de mesure de valeurs réelles, le comparateur 12 effectue une comparaison valeur de mesure- valeur théorique. Si la valeur de mesure est inférieure à une valeur théorique prédéfinie, aucun signal de sortie n'est émis. Si la valeur de mesure dépasse la valeur théorique prédéfinie, le comparateur 12 envoie une valeur de sortie à l'élément de signalisation 13, qui procède à 9 2794244 une signalisation d'une manière prédéfinie. Cette signalisation consiste à émettre des signaux acoustiques et/ou optiques. Mais il peut aussi s'agir d'un signal de commande, qui est traité dans un circuit de signalisation supplémentaire non représenté, par exemple en vue d'une signalisation à un endroit éloigné du dispositif, ou pour intervenir dans le circuit du conducteur surveillé. L'intervention peut consister par exemple à déconnecter le conducteur 10 du secteur en raison de la sollicitation d'un dispositif de commande, non représenté, d'un commutateur non représenté, lui non plus, entre la source de courant du conducteur 10 et l'endroit du dispositif de surveillance. Avec les dispositifs de surveillance classiques à découplage des signaux de mesure par couplage direct, la formation d'une alimentation en tension spéciale n'est pas absolument nécessaire. On peut découpler une quantité d'énergie telle que les éléments de la chaîne de mesure n'exigent pas d'alimentation en tension spéciale. Dans le cas présent d'un dispositif de surveillance à découplage d'énergie très faible, il est nécessaire de prévoir une alimentation en tension au moins pour les éléments actifs de la chaîne de mesure. Sur la figure 1, il s'agit de l'amplificateur 18, du comparateur 12 et de l'élément de signalisation 13. L'alimentation en tension 20 est obtenue avec un couplage direct au conducteur surveillé 10. A cet effet, on prévoit un support 22 en matériau magnétique pour une bobine 21. Le support 22 consiste par exemple en un noyau en fer qui entoure le conducteur 10, à une certaine distance, à l'extérieur de son isolation 25. La bobine 21 est enroulée sur une branche 22' du support 22. Des courants sont induits dans cette bobine 21 en fonction du flux magnétique du support 22 composé d'un matériau magnétique, de sorte que des tensions d'alimentation correspondantes peuvent être prélevées au niveau des bornes 21' de ladite bobine 21. Les tensions ou courants prélevés sont redressés dans un circuit redresseur 23, de sorte 2794244 qu'ils sont disponibles, comme tension continue, pour alimenter l'amplificateur 18, le comparateur 12 et l'élément de signalisation 13. Comme des courants de court-circuit peuvent circuler dans le conducteur 10, il peut y avoir un couplage d'énergie important à partir du conducteur 10 surveillé, et donc des pointes de tension qui pourraient détruire les éléments du branchement de mesure qui ont été mentionnés. En conséquence, on prévoit un circuit limiteur de tension 24 qui n'autorise pas les surtensions. Ce circuit 24 sert aussi à la stabilisation de tension et est conçu par exemple comme une diode de Zener. La mise en oeuvre d'une bobine détectrice avec un support d'enroulement non magnétique et un enroulement qui s'étend sur toute la circonférence du conducteur permet d'obtenir des valeurs de mesure sans couplage direct, et donc avec une grande précision de valeurs de mesure, de sorte que la tolérance d'une valeur seuil d'indication peut rester faible. L'indication ou l'enregistrement d'une valeur de courant, par exemple d'une valeur de courant de court-circuit, est donc très précis et rapide. Grâce à l'alimentation en tension selon l'invention, le dispositif peut se passer d'une source de tension supplémentaire. 11 2794244 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour surveiller le courant d'un conducteur électrique (10), en particulier dispositif de surveillance de courant de court-circuit, comportant une bobine détectrice (11) qui entoure le conducteur (10) et dont les valeurs de mesure sont transmises à un comparateur (12), lequel est sollicité par une valeur théorique définissant une valeur seuil d'indication réglable, et active un élément de signalisation (13) si la comparaison valeur mesurée-valeur théorique montre que la valeur seuil d'indication est atteinte, caractérisé en ce qu'un enroulement (14) de la bobine détectrice (11) est enroulé sur un support d'enroulement non magnétique (15) à aire de section (16) constante et s'étend au moins approximativement sur toute la circonférence du conducteur (17). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support d'enroulement (15) est cylindrique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bobine détectrice (11) est plate, dans le sens radial du conducteur (10), et présente un nombre de spires élevé pour une aire de section faible. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les spires de l'enroulement (14) sont enroulées régulièrement sur le support d'enroulement (15). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bobine détectrice (11) est disposée de manière concentrique par rapport au conducteur (10). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bobine détectrice (11) est reliée à un amplificateur (18) dont les valeurs de sortie permettent de déclencher le comparateur (12). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un redresseur 12 2794244 (19) est monté entre l'amplificateur (18) et le comparateur (12). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il a une alimentation en tension (20) de l'amplificateur (18) et/ou du comparateur (12) et/ou de l'élément de signalisation (13) qui est alimentée par un conducteur surveillé (10). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'alimentation en tension (20) comporte une bobine (21) qui est enroulée sur un support (22) composé de matériau magnétique et entourant un conducteur surveillé (10). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bobine (21) est reliée à un circuit redresseur (23). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'alimentation en tension (20) comporte un circuit limiteur de tension (24).