Brevet FR2998726A1 — publié le 20140530

DETECTEUR DE RUPTURE DE NEUTRE DANS UNE INSTALLATION ELECTRIQUE TRIPHASEE Domaine technique de l'invention L'invention est relative aux contrôles de conformité électrique, et plus 5 particulièrement à un dispositif capable de détecter une rupture de neutre dans une installation électrique triphasée. État de la technique À la différence d'un système électrique monophasé, une rupture de neutre dans un système triphasé ne provoque pas systématiquement un 10 dysfonctionnement. Le système triphasé peut continuer à fonctionner si les charges connectées aux trois phases sont équilibrées. Par conséquent, l'utilisateur du système triphasé ne dispose d'aucune information lui indiquant la présence d'un défaut de neutre. La figure 1 est un schéma d'une installation électrique qui illustre le risque 15 d'une rupture de neutre en régime triphasé. L'installation comporte un réseau électrique 10 distribué par trois conducteurs de phase PH1, PH2 et PH3 et un conducteur de neutre N. Des charges R1, R2 et R3 sont connectées respectivement aux conducteurs de phases PH1, PH2 et PH3. L'installation électrique triphasée de la figure 1 est câblée d'après un 20 montage en étoile avec point commun relié au neutre. Dans ce type de câblage, les charges R1, R2 et R3 sont formées de dipôles. Une borne de chaque dipôle est connectée à une phase (PH1, PH2 ou PH3 respectivement) tandis que les autres bornes sont interconnectées et reliées au conducteur de neutre N. Les dipôles R1 à R3 disposent donc d'une borne 25 en commun, notée PC sur la figure 1. Lorsque les dipôles R1, R2 et R3 ont des valeurs d'impédance égales, l'installation est dite équilibrée (ou symétrique). Les courants de ligne circulant dans les conducteurs de phase PH1, PH2 et PH3 sont égaux et le courant de neutre est nul. Une rupture du conducteur de neutre N ne remet 30 donc pas en cause le fonctionnement de l'installation triphasée équilibrée. Par contre, il existe de nombreuses installations électriques triphasées dans lesquelles les impédances R1, R2 et R3 ne sont pas égales. C'est notamment le cas des bornes de recharge de véhicules électriques qui sont reliées au réseau public de distribution d'électricité ou des stations de recharge qui accueillent plusieurs véhicules simultanément. Sur de tels réseaux électriques, il n'est pas possible de maîtriser la répartition des charges sur les phases. Dans ces conditions de déséquilibre, une coupure du conducteur de neutre N peut conduire à une détérioration des équipements raccordés à l'installation électrique (les véhicules électriques dans l'exemple ci-dessus). Par exemple, si la charge R1 sur la phase PH1 diminue subitement, les tensions aux bornes des deux autres phases PH2 et PH3 fluctuent, par exemple de 230 V jusqu'à 400 V, ce qui est préjudiciable pour les charges R2 et R3 connectées à ces phases. 11 est donc essentiel de vérifier la continuité du conducteur de neutre avant la mise sous tension et l'utilisation d'une installation électrique triphasée. Une technique pour détecter la rupture de neutre dans une installation électrique triphasée consiste à mesurer le potentiel électrique de la borne PC qui est commune aux charges R1, R2 et R3. En temps normal, le potentiel de cette borne est nul car elle est reliée au conducteur de neutre N, lui-même relié à la terre. Par contre, en cas de rupture de neutre et de déséquilibre, ce potentiel devient flottant et varie en fonction du rapport entre les impédances de charge. Cette technique nécessite un appareil électronique de mesure coûteux, à 25 cause des capteurs et de l'électronique qui sont utilisés. La maintenance de ce type d'appareil représente également un coût important. Résumé de l'invention On constate qu'il existe un besoin de prévoir un détecteur de rupture de neutre dans une installation électrique triphasée, qui soit économique et 30 simple d'utilisation. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant les éléments suivants : - des premier, deuxième et troisième conducteurs de phase, un conducteur de neutre et un conducteur de terre ; ^ des première, deuxième et troisième charges connectées respectivement aux premier, deuxième et troisième conducteurs de phase et possédant une borne commune connectée au conducteur de neutre ; une quatrième charge montée en parallèle de la première charge et d'impédance comprise entre 1 % et 15 % de l'impédance des première, deuxième et troisième charges ; - un témoin de défaut et une impédance de limitation connectés en série entre la borne commune et le conducteur de terre. Dans un mode de réalisation préférentiel, le détecteur comporte en outre un premier interrupteur, configuré pour connecter le témoin de défaut et l'impédance de limitation en parallèle de l'une des première, deuxième et troisième charges, et un deuxième interrupteur branché sur le conducteur de terre. Dans une variante de réalisation, le détecteur comporte un premier interrupteur configuré pour connecter le témoin de défaut en parallèle de l'une des première, deuxième et troisième charges. Avantageusement, le premier interrupteur est connecté au deuxième ou troisième conducteur de phase. Le premier interrupteur peut également être connecté au premier conducteur de phase et à une borne située entre le deuxième interrupteur et l'impédance de limitation. De préférence, l'impédance de limitation est configurée de sorte qu'un courant de défaut circulant par le conducteur de terre soit inférieur à un seuil de déclenchement d'une protection différentielle équipant l'installation électrique triphasée. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans 5 lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une installation électrique en régime triphasé ; - la figure 2 représente un détecteur de rupture de neutre dans une installation électrique triphasée, d'après un mode de réalisation 10 préférentiel de l'invention ; - la figure 3 illustre le fonctionnement du détecteur de la figure 2 lorsque le conducteur de neutre de l'installation électrique est intact ; - la figure 4 illustre le fonctionnement du détecteur de la figure 2 en cas de coupure du conducteur de neutre de l'installation électrique ; et '15 - la figure 5 représente une variante de réalisation du détecteur de rupture de neutre selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Afin de détecter une rupture de neutre dans une installation électrique triphasée, on prévoit un dispositif qui simule le comportement d'une charge 20 et créé artificiellement une situation de déséquilibre entre les trois conducteurs de phase de l'installation. Comme les charges R1, R2 et R3 de la figure 1, ce détecteur dispose d'un point commun où se rejoignent les conducteurs de phase. Ce point commun est relié au conducteur de neutre lorsque le détecteur est branché sur l'installation. 25 En cas de défaut de neutre, le potentiel électrique du point commun devrait être flottant. Le déséquilibre créé par le détecteur permet cependant de fixer le potentiel du point commun à une valeur prédéterminée. Un témoin est connecté à ce potentiel pour signaler la présence du défaut à un utilisateur. La figure 2 représente un mode de réalisation préférentiel d'un détecteur de rupture de neutre 20 relié à une installation électrique triphasée 22 à tester. Le détecteur 20 comprend trois conducteurs de phase PH1', PH2' et PH3', un conducteur de neutre N' et un conducteur de terre PE'. En situation de test, telle que représentée sur la figure 2, les conducteurs PH1', PH2' et PH3', N' et PE' du détecteur 20 sont connectés aux conducteurs correspondant de l'installation 22. Sur la figure 2, les références PH1, PH2 et PH3 désignent les conducteurs de phase de l'installation 22, connectés respectivement aux conducteurs PH1', PH2' et PH3'. Le fil N correspond au conducteur de neutre tandis que le fil PE correspond au conducteur de terre de l'installation, appelé également conducteur de protection. Les conducteurs N et PE de l'installation 22 sont connectés respectivement aux conducteurs N' et PE' du détecteur 20. Ils sont, en général, tous les deux reliés à la terre (schéma de liaison à la terre « TT » ou « TN »). Des charges L1, L2 et L3 sont connectées respectivement aux conducteurs de phase PH1', PH2' et PH3' du détecteur. Elles sont, de préférence, formées de dipôles ayant des valeurs d'impédance égales. Une borne de chaque dipôle L1, L2 ou L3 est connectée à la phase PH1', PH2' ou PH3' correspondante et l'autre borne de chaque dipôle est connectée au conducteur de neutre N'. Les trois charges partagent donc une même borne PC, qu'on appellera ci-après « point commun » ou « borne commune » (montage en étoile avec point commun câblé au neutre). De préférence, les charges L1, L2 et L3 sont des témoins lumineux. Un opérateur qui raccorde le détecteur 20 à l'installation 22 est ainsi averti que les phases PH1 à PH3 sont sous tension. Les témoins lumineux sont, par exemple, des lampes de même impédance afin de comparer l'activité des phases, notamment en cas de déséquilibre. Le détecteur 20 comprend également une charge C de faible impédance devant les charges L1 à L3. La charge C représente entre 1 % et 15 % environ de l'impédance des charges L1 à L3. La charge C est montée en parallèle de l'un des témoins de phase L1 à L3. Sur la figure 1, la charge C est par exemple connectée en parallèle du témoin L1. La charge C est avantageusement capacitive afin de limiter la dissipation de puissance et les échauffements. Elle a, de préférence, une capacité comprise entre 5 pF et 20 pF, par exemple 12 pF. La charge C crée ainsi un déséquilibre franc entre les charges connectées 5 aux phases PH1 à PH3 de l'installation électrique. Ainsi, lorsque la borne commune PC n'est plus reliée à la terre suite à une coupure du conducteur de neutre N, le potentiel du point commun PC est ramené à une valeur fixe, fonction de la tension de ligne sur la phase PH1, plutôt qu'à une valeur flottante. Cette valeur fixe peut également dépendre de la position du défaut 10 de neutre dans l'installation. Pour identifier une coupure de neutre et alerter l'opérateur chargé de tester l'installation, le détecteur comporte un témoin de défaut L4 connecté à la borne commune PC. Plus particulièrement, le témoin de défaut est connecté en série avec une impédance de limitation R entre la borne commune PC et 15 le conducteur de terre PE' du détecteur. Le témoin L4 est, de préférence, lumineux comme les témoins L1 à L3. Il s'agit par exemple d'une lampe halogène ou d'une diode électroluminescente. L'impédance de limitation R est, par exemple, une résistance. 20 Dans ce mode de réalisation préférentiel, on a en outre disposé un interrupteur S1 de façon à connecter la lampe L4 et l'impédance de limitation R en parallèle d'une des lampes L1 à L3. Le détecteur 20 comporte également un interrupteur S2, normalement fermé et connecté sur le conducteur de terre PE'. Sur la figure 2, l'interrupteur S1 est par exemple 25 connecté au conducteur de phase PH1' d'une part, et au conducteur de terre PE' d'autre part, à une borne située entre l'interrupteur S2 et la résistance R. Ces interrupteurs permettent de vérifier le fonctionnement du témoin de défaut L4 avant une phase de détection d'un défaut de neutre. En effet, en fermant l'interrupteur S1, la lampe L4 et la résistance R sont connectées en 30 parallèle de la lampe L1 (comme la capacité C). La lampe L4 est alors traversée par un courant de ligne provenant du conducteur PH1' et s'allume en même temps que les lampes L1 à L3. On peut ainsi différencier la coupure de neutre d'un éventuel dysfonctionnement de la lampe L4. Lorsque l'interrupteur S1 est fermé, l'interrupteur S2 est à l'état ouvert pour éviter un court-circuit entre le conducteur de phase PH1' et le conducteur de terre PE'. Dans leur état de repos, lors d'une phase de test de l'installation électrique, l'interrupteur S1 est ouvert et l'interrupteur S2 est fermé. L'interrupteur S1 5 n'intervient donc pas dans la fonction de détection de rupture de neutre. L'interrupteur S2 est avantageusement doublé d'un troisième interrupteur S3. Les interrupteurs S2 et S3 sont actifs en même temps et connectés en parallèle. La continuité du conducteur de protection est ainsi assurée, même en cas de dysfonctionnement de l'un des interrupteurs S2 et S3. 10 Les interrupteurs S1, S2 et S3 sont, de préférence, liés mécaniquement de façon à être actionnés simultanément. Il en résulte que l'interrupteur S1 d'une part, et les interrupteurs S2, S3 d'autre part, sont toujours dans des états opposés (S1 est ouvert lorsque S2 et S3 sont fermés, et inversement). Les figures 3 et 4 illustrent le fonctionnement du détecteur 20 de la figure 2 15 pour déceler un éventuel défaut du conducteur de neutre N. La figure 3 correspond au cas où l'installation électrique 22 ne présente aucun défaut de neutre. À l'inverse, la figure 4 représente l'état du détecteur en présence d'un tel défaut, par exemple une rupture 24 du conducteur N. Sur la figure 3, le conducteur de neutre N de l'installation électrique triphasée 20 22 est intact. Le potentiel Vpc du point commun vaut donc 0 V. Les tensions aux bornes des lampes L1, L2 et L3 sont égales aux tensions simples d'alimentation (par exemple 230 V), respectivement notées V1, V2 et V3. Les lampes L1, L2 et L3 sont alors allumés. Comme la capacité C est connectée en parallèle de la lampe L1, elle est 25 soumise à la même différence de potentiels Vi-Vpc. Par conséquent, un courant circule aussi dans la capacité C. Par contre, aucun courant ne circule dans la lampe L4 et la résistance R. En effet, entre le conducteur de terre PE' et le conducteur de neutre N', la différence de potentiels est nulle. L'impédance vue par le courant dans cette 30 branche du circuit est plus élevée que celle du conducteur de neutre N', à cause de la résistance R et la lampe L4. La lampe L4 reste donc éteinte. Les courants des lampes L1 à L3 s'annulent (car ils sont de même fréquence, de même amplitude et déphasés de ±120° deux à deux) tandis que le courant dans la capacité C est évacué par la terre. La liaison jusqu'à la terre est, dans ce cas, assurée par le conducteur de neutre N' du détecteur 20, puis le conducteur de neutre N de l'installation 22. Sur la figure 4, le conducteur de neutre N de l'installation électrique 22 est coupé. Dans le détecteur 20, le point commun PC n'est donc plus fixé à un potentiel nul mais dépend des impédances de la lampe L1 et de la capacité C. L'impédance de la capacité C étant faible devant l'impédance de la lampe L1, le courant de ligne dans le conducteur PH1' est dirigé vers la capacité C plutôt que vers la lampe L1. La lampe L1 est par conséquent éteinte. En fait, le potentiel Vpc du point commun tend vers une valeur non nulle proche de la tension de phase V1 du conducteur PH1'. La lampe L1 est alors soumise à une différence de potentiels proche de zéro, ce qui explique son inactivité. Les lampes L2 et L3 sont chacune soumises à une tension composée, qui correspond à la différence entre les tensions de phase simples (respectivement V2-V1 et V3-V1). Ces tensions composées peuvent atteindre 400 V en valeur efficace. Les lampes L2 et L3 sont d'ailleurs conçues pour supporter cette surtension. Puisque le conducteur de neutre N est coupé, le courant provenant de la capacité C n'a d'autres choix que de traverser le témoin de défaut L4 et la résistance de limitation R. Ce courant résiduel de défaut dépend de la différence de potentiels entre le point commun PC et la terre (égale à V1) et l'impédance cumulée de la résistance R et la lampe L4. Il circule ensuite vers la terre par l'intermédiaire des conducteurs de terre PE' et PE. Ainsi, selon que le témoin L4 est allumé ou éteint, l'opérateur chargé de vérifier la conformité électrique de l'installation électrique est averti de la présence ou non d'un défaut de neutre. L'impédance R vise à limiter le courant de défaut qui circule dans la lampe L4 et le conducteur de terre PE' en cas de rupture du conducteur de neutre N (Figure 4). En effet, l'installation électrique 22 étant équipée d'une protection différentielle, tel qu'un disjoncteur différentiel, le courant de défaut ne peut pas être élevé, au risque de faire disjoncter l'installation. L'impédance R est donc choisie de sorte que le courant de défaut n'excède pas le seuil de déclenchement du disjoncteur. À titre d'exemple, les seuils de déclenchement des disjoncteurs calibrés à 5 30 mA se situent principalement dans une plage allant de 21 à 27 mA (99 % des disjoncteurs testés ont un seuil de déclenchement dans cette plage). Le courant de défaut maximum est alors fixé à 15 mA, ce qui constitue une marge suffisante pour couvrir l'ensemble des disjoncteurs proposés par les différents constructeurs. Cette valeur prend également en compte le courant 10 de fuite déjà établi dans l'installation. Ainsi, on garantit le fonctionnement du détecteur 20 sans déclenchement du disjoncteur différentiel de l'installation 22, et quelle que soit la provenance de ce disjoncteur. La figure 5 représente une variante de réalisation du détecteur de rupture de neutre, dans laquelle l'interrupteur S1 est disposé de manière à connecter en 15 parallèle d'une des lampes L1 à L3 uniquement la lampe L4 (au lieu de la lampe L4 et de la résistance R sur la figure 2). L'interrupteur S1 est dans ce cas connecté à une borne située entre la lampe L4 et la résistance R, en plus de l'une des phases. L'interrupteur S2 (et l'interrupteur S3 le cas échéant) n'est alors plus 20 nécessaire pour empêcher le court-circuit phase-terre, car la résistance R sépare le conducteur de terre PE' du conducteur de phase et limite le courant de fuite. Il peut toutefois être conservé, par exemple si d'autres fonctions du détecteur requièrent une déconnexion du conducteur de terre. Avantageusement, l'interrupteur S1 est connecté à une phase autre que 25 celle sur laquelle est connectée la charge C, soit ici la phase PH2' ou la phase PH3'. L'interrupteur S1 est par exemple connecté à la phase PH2' sur la figure 5. De cette manière, lors du test de la lampe L4, celle-ci s'allume plus fortement que dans le cas où l'interrupteur S1 est connecté sur la phase PH1'. En effet, le courant provenant de la phase pendant ce test n'est 30 alors plus partagé entre la lampe L4 et la capacité C. Cet avantage peut également être obtenu dans le mode de réalisation de la figure 2, avec cette fois la lampe L4 et la résistance R connectées en parallèle de la lampe L2 ou L3 par l'intermédiaire de l'interrupteur S1. Le détecteur de défaut de neutre décrit ci-dessus est particulièrement simple à fabriquer et à utiliser. Il ne contient que des composants de base, peu coûteux et robustes. En outre, pour mener un diagnostic, il suffit de brancher le détecteur aux conducteurs de phases, de neutre et de terre de l'installation électrique. L'intervention de l'opérateur est donc grandement simplifiée. Le détecteur des figures 2 et 5 convient, entre autres, aux installations dédiées au chargement des véhicules électriques, telles que les bornes individuelles de recharge ou les stations de recharge. En effet, ces installations fonctionnent en régime triphasé, normalement équilibré. Un déséquilibre entre les trois phases peut néanmoins se produire dans ce genre d'installations. Par exemple, il est courant de voir dans une station de recharge un nombre de véhicules reliés à une phase plus grand que le nombre de véhicules reliés à l'une des deux autres phases. Les bornes de recharges individuelles sont quant à elles connectées au réseau public de distribution d'électricité, qui est, par nature, imprévisible en ce qui concerne la répartition des charges sur ses phases. Le détecteur peut être utilisé dans le cadre des tests de conformité effectués avant la mise sous tension d'une borne de recharge, immédiatement après son câblage. Il garantit la continuité du conducteur de neutre dans la borne de recharge ou dans le réseau d'alimentation électrique, en amont de celle-ci. Ainsi, si un déséquilibre se produit ultérieurement dans l'installation, les véhicules électriques connectés aux bornes ne courent aucun risque lors de la charge. Ce détecteur peut en outre être intégré dans un outil de diagnostic de bornes de recharge offrant des fonctions supplémentaires, comme la vérification du câblage de la borne (test des phases, test d'inversion phase-neutre) ou la simulation d'un véhicule électrique (fonctions de communication entre la borne de charge et le véhicule électrique). REVENDICATIONS1. Détecteur (20) de rupture de neutre dans une installation électrique triphasée (22), caractérisé en ce qu'il comporte : des premier, deuxième et troisième conducteurs de phase (PH1', PH2', PH3'), un conducteur de neutre (N') et un conducteur de terre (PE') ; des première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3) connectées respectivement aux premier, deuxième et troisième conducteurs de phase et possédant une borne commune (PC) connectée au conducteur de neutre ; une quatrième charge (C) montée en parallèle de la première charge (L1) et d'impédance comprise entre 1 % et 15 % de l'impédance des première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3) ; un témoin de défaut (L4) et une impédance de limitation (R) connectés en série entre la borne commune (PC) et le conducteur de terre (PE'). 2. Détecteur selon la revendication 1, comportant : un premier interrupteur (S1) configuré pour connecter le témoin de défaut (L4) et l'impédance de limitation (R) en parallèle de l'une des première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3) ; et un deuxième interrupteur (S2) branché sur le conducteur de terre (PE). 3. Détecteur selon la revendication 1, comprenant un premier interrupteur (S1) configuré pour connecter le témoin de défaut (L4) en parallèle de l'une des première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3). 4. Détecteur selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel le premier interrupteur (S1) est connecté au deuxième (PH2') ou troisième (PH3') conducteur de phase. 5. Détecteur selon la revendication 2, dans lequel le premier interrupteur (S1) est connecté au premier conducteur de phase (PH1') et à une borne située entre le deuxième interrupteur (S2) et l'impédance de limitation (R). 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'impédance de limitation (R) est configurée de sorte qu'un courant de défaut circulant par le conducteur de terre (PE') soit inférieur à un seuil de déclenchement d'une protection différentielle équipant l'installation électrique triphasée (22). 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3) et le témoin de défaut (L4) sont des témoins lumineux. 8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les première, deuxième et troisième charges (L1, L2, L3) ont des valeurs d'impédance égales. 9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la quatrième charge (C) est de type capacitive.