Brevet FR2985032A1 — publié le 20130628

Domaine de l'invention L'invention concerne la mesure des résistances de terre d'installations électriques au moyen d'un dispositif de contrôle connu sous le vocable de « pince de terre ». 10 Art antérieur La mesure de résistances de terre par une pince de terre enserrant le conducteur à mesurer et utilisant deux transformateurs distincts, l'un pour l'injection d'une tension dans la boucle et l'autre pour la mesure du courant en résultant, est bien connue. Une telle mesure qui ne 15 nécessite pas de planter de piquets auxiliaires est particulièrement appropriée lorsque l'installation électrique dispose de multiples mises à la terre en parallèle formant plusieurs boucles de terre successives. Ainsi, un simple enserrage du conducteur relié à la terre permet de contrôler la qualité du raccordement à la terre par la mesure de 20 l'impédance de la boucle de terre et permet de mesurer la valeur du courant de fuite qui circule de l'installation électrique vers la terre. Ces courants de fuite plus ou moins importants ne sont pas sans poser des problèmes de sécurité pour les personnes venant au contact des équipements connectés au conducteur de protection dans l'installation 25 électrique. En effet, au-delà d'une tension donnée, variable selon les milieux et objet d'une normalisation, la barrière d'isolation que constitue la peau humaine risque de céder provoquant dans le corps humain une augmentation très rapide de la circulation du courant électrique, source de dégâts irrémédiables. 30 Objet et résumé de l'invention L'invention a donc pour but de proposer une pince de terre palliant ces inconvénients. Un but de l'invention est aussi d'obtenir une pince de terre permettant une mesure de l'impédance de la boucle de 35 terre avec une précision suffisante (de l'ordre du %) sans pour autant augmenter la consommation électrique et le prix de revient de la pince. Ces buts sont atteints par une pince de terre comportant un circuit de mesure formé d'un transformateur d'induction de tension comportant un tore sectionné et au moins un enroulement à plusieurs tours ml et d'un transformateur de mesure de courant comportant un tore sectionné et au moins un enroulement à plusieurs tours m2, adaptés tous deux à être couplés mutuellement par un conducteur de terre dont l'impédance de terre est à mesurer, un microcontrôleur pour délivrer une tension alternative à fréquence fixe Fm au dit transformateur d'induction de tension et, en réponse, recevoir des signaux de mesure représentatifs d'une tension de référence Vref générée dans ledit conducteur de terre et d'un courant de terre iB+iF induit dans ledit transformateur de mesure de courant, caractérisé en ce que ledit convertisseur est configuré pour extraire par calcul numérique une amplitude E de ladite tension de référence, une amplitude 'g et une amplitude IF dudit courant de terre somme d'un courant de boucle ig et d'un courant de fuites iF et un déphasage cp entre ladite tension de référence et ledit courant iB, et en déduire à ladite fréquence fixe Fm des parts active Rb et réactive Lb de ladite impédance de terre pour ensuite calculer ladite impédance de terre à ladite fréquence fixe Fm et en ce que ledit convertisseur calcul en outre une tension de contact Uc par le produit de ladite impédance de terre à ladite fréquence fixe Fm par ladite amplitude IF. Ainsi, en déterminant la tension de contact (la mesure du potentiel du point de mesure par rapport à la terre), on peut assurer une sécurité réelle des personnes bien supérieure à celle offerte par les dispositifs de l'art antérieur n'effectuant qu'une mesure d'impédance. Avantageusement, ladite impédance de terre est calculée à une fréquence d'exploitation Fs et ladite tension de contact Uc est obtenue par le produit de ladite impédance de terre à ladite fréquence d'exploitation Fs par ladite amplitude IF. De préférence, lesdites amplitudes E et Ig et ledit déphasage cp sont obtenus par une démodulation numérique ou un algorithme de Goertzel et ladite amplitude IF par un filtrage numérique. Avantageusement, ladite fréquence d'exploitation est la fréquence du secteur et ladite fréquence fixe est choisie dans la bande passante de fonctionnement desdits deux transformateurs tout en restant éloignée de ladite fréquence du secteur et de ses harmoniques. De préférence, ledit transformateur d'induction de tension comporte deux enroulements entourant chacun un demi-tore, la commande de ces deux enroulements étant assurée par deux amplificateurs de tension montés en pont et recevant chacun ladite tension alternative à fréquence fixe. Une résistance shunt peut être mise en série entre lesdits deux enroulements pour, par une mesure du courant circulant dans ledit transformateur d'induction de tension, détecter toute ouverture ou défaut de fermeture de ladite pince de terre. Avantageusement, ledit transformateur d'induction de tension comporte en outre deux autres enroulements entourant chacun un des deux demi-tores et mis en série pour mesurer ladite tension de référence et la délivrer au dit microcontrôleur. Ladite tension de référence est amplifiée et échantillonnée avant sa délivrance au dit microcontrôleur. De préférence, ledit transformateur de mesure de courant comporte deux enroulements entourant chacun un demi-tore, chacun de ces deux enroulements alimentant un convertisseur courant/tension dont les tensions de sorties sont sommées pour délivrer ledit courant de terre au dit microcontrôleur. Avantageusement, avant sa délivrance au dit microcontrôleur, ledit courant de terre est filtré, amplifié et échantillonné pour en extraire ledit courant iB. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une pince de terre, - la figure 2A est une vue d'une ligne électrique et du réseau de terres qui y est associé, - la figure 2B est une vue d'un bâtiment avec raccords multiples à la terre, - la figure 3 est un modèle idéal de la partie de mesure de la pince de terre de la figure 1, et - la figure 4 est un schéma de principe de la pince de terre de la figure 1. 2 9 85032 4 Description détaillée de modes de réalisation Comme le montre la figure 1, une pince de terre 10 est un dispositif portable qu'un opérateur peut tenir dans une seule main pour contrôler facilement et rapidement le raccordement à la terre 5 d'installations électriques ou de pylônes de lignes électriques comme celles illustrées aux figures 2A et 2B. En effet, au contraire des dispositifs traditionnels, la mesure par pince de terre ne nécessite pas de planter des piquets auxiliaires ou d'ouvrir une liaison à la terre (barrette de terre par exemple) pour isoler l'installation électrique. 10 La pince de terre comporte une mâchoire 12 qui peut être ouverte au moyen d'une poignée 14 et permet d'enserrer le conducteur relié à la terre et dont on souhaite mesurer l'impédance de terre Zx. La pince de terre comporte en outre un écran de visualisation 16 pour visualiser les paramètres et résultats de la mesure et différents boutons de 15 fonction 18 nécessaires à sa mise en oeuvre. Le principe de la mesure par pince de terre est illustré schématiquement à la figure 3 qui montre le schéma équivalent idéal (modèle parfait dans lequel la puissance instantanée est conservée et les pertes fer et dans les bobinages ne sont pas pris en compte) de la partie 20 de mesure de la pince de terre qui est formée de l'association d'un transformateur d'injection de tension (ou transformateur de commande 20 à rapport de transformation ml) recevant au primaire une tension alternative Ul à fréquence fixe Fm et d'un transformateur de mesure de courant (transformateur de mesure 22 à rapport de transformation m2) 25 dont le secondaire en court-circuit est parcouru par un courant i2, la boucle de terre d'impédance de boucle Zb constituant à la fois l'enroulement à un tour du secondaire du transformateur d'injection de tension et l'enroulement à un tour du primaire du transformateur de mesure de courant. 30 L'application des lois de Faraday aux enroulements et du théorème d'Ampère au circuit ainsi constitué par l'association des deux transformateurs et de la boucle de terre à mesurer permet aisément de montrer que l'impédance de boucle Zb est alors donnée par la relation suivante : 35 Zb = (m1/m2)(U1/i2) ou Zb = U1/i2 lorsque ml = m2 L'amplitude de la tension U1 dépend du rapport de transformation choisi et de l'impédance de boucle à mesurer. Ainsi, par exemple, avec un rapport de transformation de 1/200, une tension 1.11 de 12V crête permet de générer une tension dite de référence Vref de 60 mV sur la boucle de terre. La fréquence fixe Fm est choisie de façon à être dans la bande passante de fonctionnement des deux transformateurs, tout en étant suffisamment éloignée de la fréquence du secteur et de ses harmoniques, sources de parasites. Ainsi, par exemple, avec une fréquence secteur à 50 ou 60 Hz, des harmoniques à 2160 (harmonique 36 du 60Hz) ou 2200 Hz (harmonique 44 du 50Hz), un choix de Fm à 2181Hz s'avère judicieux car il permet de rejeter ces harmoniques à respectivement 21 et 19Hz de part et d'autre de cette valeur permettant alors aisément un filtrage numérique de i2 à Fm ±10Hz. Le courant i2 mesuré par le transformateur de mesure de courant 22 est la somme d'un courant de boucle iB à la fréquence fixe Fm induit par la tension U1 et d'un courant de fuite iF issu de l'installation électrique, notamment des appareils électriques reliés au secteur, et donc composé d'un signal à large bande comportant cette fréquence secteur et ses harmoniques ainsi éventuellement que d'autres fréquences composites résultant de signaux impulsionnels aléatoires (mise en route d'un moteur par exemple). On notera en outre que les amplitudes de ces deux courants i g et i F peuvent être très différentes, par exemple un courant de boucle de 1,2 mA et un courant de fuite de 10A. On peut aussi montrer que lorsque l'ensemble des boucles de terre forment un réseau étendu de terres comme celui de la figure 2, cette impédance de boucle Zb est composée de l'impédance Zx de la prise de terre enserrée en série avec toutes les autres impédances Z1, Z2, Zn qui en parallèle sont équivalentes à une impédance de faible valeur et dès lors négligeable devant Zx de sorte que l'impédance Zx est sensiblement égale à l'impédance de boucle Zb (qui est dans tous les cas un majorant de Zx) mesurée par la pince de terre. La figure 4 montre le schéma de principe de la pince de terre selon l'invention. Le transformateur d'induction de tension 20 comporte deux 35 enroulements 200, 202 entourant chacun un demi-tore 20A, 20B, la commande de ces deux enroulements étant assurée par deux amplificateurs de tension 24, 26 montés en pont et recevant chacun la tension alternative U1 à fréquence fixe Fm. Le sectionnement en deux parties du transformateur est indispensable pour permettre l'insertion du conducteur de terre sans avoir à ouvrir la boucle de terre. Par contre, le recours à deux enroulements alimentés par un montage en pont au lieu d'un seul amplifié de façon classique est justifié par le choix d'obtention d'une précision de mesure élevée avec une consommation électrique réduite. La tension alternative U1 provient de la conversion par un convertisseur numérique/analogique 28 d'une tension numérique délivrée par le microcontrôleur 30. Une résistance shunt 32 est mise en série entre les deux enroulements 200, 202 pour, par une mesure du courant circulant dans le transformateur d'induction de tension 20, détecter toute ouverture ou défaut de fermeture de ladite pince de terre résultant par exemple par la présence de saletés entre les mâchoires de la pince. Cette mesure analogique de courant est amplifiée au travers d'un amplificateur différentiel 34 et convertie en un signal numérique par un convertisseur analogique/numérique 36 pour être envoyée au microcontrôleur 30. Les convertisseurs 28 et 36 sont, par exemple, des convertisseurs 10 ou 12 bits à 1 voie. Le transformateur d'induction de tension 20 comporte en outre deux autres enroulements 204, 206, appelés enroulements de référence dans la suite de la description, entourant chacun un des deux demi-tores 20A, 20B et mis en série pour mesurer la tension de référence et la délivrer au microcontrôleur 30. La tension de référence est amplifiée par un amplificateur de tension 38 et fait l'objet d'une conversion analogique/numérique par un convertisseur analogique/numérique 40 avant sa délivrance au microcontrôleur 30. Le transformateur de mesure de courant 22 comporte deux enroulements 220, 222 entourant chacun un demi-tore 22A, 22B, chacun de ces deux enroulements alimentant un convertisseur courant/tension 42, 44 dont les tensions de sorties sont sommées (dans un additionneur 46) pour délivrer le courant de terre i2 qui est ensuite traité dans deux voies d'acquisition parallèles avant sa délivrance au microcontrôleur 30 via un échantillonneur 2 voies 48. La première voie ne filtre pas le signal qui est donc simplement amplifié par un amplificateur à gain variable 50 (gain dépendant de la gamme de mesure) avant de faire l'objet d'une conversion analogique/numérique, le microcontrôleur recevant donc les valeurs échantillonnées de la somme des courants iB et IF. La seconde voie, au contraire, filtre le signal, par exemple par un filtre passe-haut 52 du second ordre et de fréquence de coupure comprise entre 600 et 1000Hz, puis l'amplifie par un amplificateur à gain variable 54 (gain dépendant aussi de la gamme de mesure) et ensuite également le soumet à une conversion analogique/numérique, le microcontrôleur recevant donc les valeurs échantillonnées du courant de boucle iB et du courant iF atténué afin éviter la saturation du convertisseur analogique / numérique 40. La conversion analogique/numérique est avantageusement réalisée dans un même convertisseur analogique/numérique 40 qui est de préférence celui assurant déjà la conversion analogique/numérique de la tension de référence (par exemple un convertisseur 24 bits à 2 voies). Le microcontrôleur 30 reçoit donc du convertisseur analogique/numérique 40 des valeurs échantillonnées de la tension de référence, du courant ip, et de la somme des courants iB et iF à partir desquelles il va pouvoir calculer l'impédance de boucle Zb et bien entendu la tension de contact recherchée Uc. Cette impédance de boucle sera en outre calculée à la fréquence d'exploitation (même si bien entendu une mesure à la fréquence de mesure reste disponible), c'est-à-dire en général la fréquence du secteur (mais une autre fréquence d'exploitation, à 128Hz par exemple, est aussi envisageable). En effet, chaque boucle est composée d'une part résistive Rb et d'une part inductive Lb. Lorsque la boucle de mesure est grande, cette part inductive peut s'avérer être non négligeable. Or, la part inductive de l'impédance est dépendante de la fréquence de mesure (Z = L co). Pour se faire, le microcontrôleur 30 va procéder à une démodulation numérique, connue en soi, de la tension de référence à la fréquence fixe Fm pour obtenir son amplitude E. Cette démodulation numérique met en oeuvre un filtrage numérique passe bas, par exemple à 10Hz, pour éliminer les fréquences parasites. Pareillement, il va procéder à une démodulation numérique semblable à la fréquence fixe Fm du courant iB pour en extraire l'amplitude Ig et le déphasage cp entre la tension de référence et le courant iB, l'amplitude IF du courant iF étant obtenue par simple filtrage numérique passe-bas de la somme des courants iB et iF. La mise en cascade de deux filtres de Tchebychev d'ordre 2 permettent avantageusement d'assurer le filtrage passe-bas de la tension de référence et du courant iB pour l'obtention de E, Ig et cp et la mise en cascade de quatre filtres elliptiques d'ordre 4, celle de la somme des courants i g et iF pour en extraire l'amplitude IF. Les mesures de 'g et de IF sont effectuées successivement ou avantageusement en parallèle, avec un couple de mesure établi au moins 2 fois par seconde (fréquence de rafraîchissement de l'affichage), une mesure en parallèle étant en effet plus précise que deux mesures successives qui supposent une stabilité des deux courants mesurés pendant l'intervalle de mesure. L'évaluation de l'impédance de boucle conduit avec les dispositifs de mesure de l'art antérieur à une valeur valide à la fréquence de mesure Fm, alors que cette impédance va en réalité être parcourue par des courants de fuites majoritairement de plus basses fréquences (50 ou 60 Hz et proches harmoniques). Aussi, selon l'invention, l'impédance de boucle Zb repose sur les calculs suivants : 1) Calcul de la part résistive (Rb) et inductive (Lb) de l'impédance de boucle: Rb = E/IB cos(cp) et Lb = (1/2J1Fm) E/IB sin (cp) 2a) Calcul de l'impédance Zb ramenée à la fréquence de mesure Fm : Zb = /(Rb)2 + (Lb .27-c.Fm)2 ou en variante préférentielle, 2b) Calcul de l'impédance Zb ramenée à la fréquence du secteur Fs : Zb = !(Rb)2 + (Lb .2ir.Fs)2 La tension de contact Uc est ensuite évaluée à partir de l'impédance de boucle Zb et de IF soit à la fréquence de mesure soit préférentiellement à Fs : Uc = Zb IF. Ainsi, la pince de terre permet de connaître à un instant donné la valeur du courant de fuite (iF), ainsi qu'un majorant de l'impédance de mise à la terre (Rb Rx), de sorte qu'il est possible de fournir deux informations de sécurité supplémentaires à l'utilisateur : 1) un majorant de la valeur de la tension de contact au point de mesure, 2) une alarme (visuelle et sonore) en cas de dépassement d'un seuil prédéfini de tension de contact. On notera que d'autres méthodes numériques connues comme un filtrage numérique passe bande ou un algorithme de Goertzel auraient pu être employées en lieu et place de la démodulation numérique pour l'obtention de E et 'g et du déphasage (p.