Brevet FR3047084A1 — publié le 20170728

Arrière-plan de l'invention L'invention se rapporte au domaine général instruments de mesure de courant et plus particulièrement aux transformateurs 5 d'intensités destinés à être embarqués à bord d'un aéronef. L'utilisation de transformateurs d'intensité, notés TI en français ou CT en anglais pour « Current Transformer », est courante en aéronautique sur les réseaux alternatifs (AC) de 115 VAC ou 230 VAC. Les TI servent à mesurer les courants de ligne alternatifs des réseaux avion 10 qui sont en général des courants AC triphasés. Comme cela est illustré sur la figure 1, un TI est constitué d'un circuit magnétique qui est en général de forme torique de manière à minimiser les fuites magnétiques et sur lequel on a bobiné un nombre n de spires secondaires fermées sur une résistance de charge. Sur ces spires 15 circule un courant noté 12. Le courant, noté Il, dans la barre à mesurer traverse au minimum une fois le tore ainsi constitué. Dans l'exemple présenté ici et illustré notamment sur la figure 2 qui présente un schéma électrique simplifié d'un TI, on considérera que le nombre de tours primaires est égal à un (cas habituel en aéronautique). 20 Un TI répond au théorème d'Ampère représenté mathématiquement par l'équation suivante : rie =-11+n12 où Il est le courant à mesurer qui traverse le tore, 12 correspond au courant de mesure obtenu en enroulant n spires autour du noyau magnétique, et H est le champ magnétique qui sert à magnétiser le 25 tore. Si on néglige la circulation du champ magnétique dans le noyau, c'est-à-dire si on considère 96 rie= 0, on obtient alors la relation = nI2. Le circuit secondaire est chargé par une résistance de charge, 30 notée RB sur la figure 2, qui permet, par mesure de la tension aux bornes de cette résistance de charge, de déduire la tension VB au secondaire du tore, qui vaut VB = RBI2 = RB au courant magnétisant près, et ainsi de déterminer le courant I1 circulant dans la barre traversant le tore. Les 11 présentent ainsi l'intérêt d'être capables de transmettre 35 aux organes de contrôle et de protection, notés respectivement GCU pour 3047084 2 « General Control Unit » en anglais et BPCU pour « Bus Power Control Unit » en anglais, une mesure assez peu sensible à l'environnement électromagnétique dans l'avion. Ainsi, ils peuvent être aisément déportés des organes de décision, de quelques décimètres à plusieurs dizaines de mètres à bord d'un avion. Cependant, leur utilisation pose un problème. Lorsqu'un Ti est ouvert (absence de résistance de charge), c'est-à-dire lorsque la liaison entre le TI et son récepteur, un GCU ou un BPCU ou même un autre organe, est coupée, une haute tension est générée en sortie des enroulements secondaires du TI. L'absence de circulation de courant au secondaire entraine en effet une égalité entre la circulation du champ magnétisant qui sert à magnétiser le tore et le courant primaire. On a ainsi rie = L'amplitude du courant primaire à mesurer étant généralement assez élevée, l'induction B dans le circuit magnétique passe à saturation de manière très rapide à chaque inversion du passage du courant primaire. En appliquant la loi de Lenz au secondaire du TI, V = nchp/dt, avec 1T le flux électromagnétique échangé entre le primaire et le secondaire, on constate que la tension va prendre des valeurs très importantes à chaque variation brutale du courant magnétisant. Cette tension dépend du nombre de spires secondaires, du type de noyau magnétique, ainsi que de la valeur du courant primaire à mesurer. Cette haute tension qui dépend de la valeur du courant mesuré peut aisément dépasser quelques kilovolts. Elle peut mener au 25 développement d'arcs électriques en sortie du TI ou au sein même de ses enroulements. Le déclenchement de ces phénomènes dépend donc du niveau de courant circulant dans les lignes que l'on souhaite mesurer mais aussi du matériau magnétique utilisé pour le TI ainsi que de son nombre de spires secondaires. 30 Cela peut présenter un risque non négligeable au niveau d'un avion car ces phénomènes restent entretenus lorsqu'ils ne sont pas détectés et peuvent entrainer un départ de feu. Il existe trois principaux types de familles de protection pour les TI : les protections par adjonction d'un écrêteur bidirectionnel, les 35 protections par adjonction d'une résistance en parallèle sur la sortie du TI, et les protections par adjonction d'un condensateur. 304 70 84 3 Comme cela est illustrée sur la figure 3, une protection par écrêteur est réalisée en montant un écrêteur Tr, tel qu'un tranzorb par exemple, entre les deux sorties du TI. L'écrêteur est réglé à une tension supérieure à la tension maximale Vo- out à mesurer aux bornes de la 5 résistance de charge RB. La puissance dissipée par l'écrêteur lorsque le TI est ouvert peut s'exprimer ainsi : VT Comme cela est illustré sur la figure 5, le montage classiquement utilisé pour une protection par adjonction d'une résistance en parallèle de la sortie du n se compose du TI, d'une résistance de charge RB pour la mesure et d'une résistance Rp montée en parallèle de la résistance de charge RB en sortie du 11. Les pertes dans la résistance parallèle Rp en fonction de sa valeur sont représentées par la courbe de la figure 6. Cette courbe a été obtenue à partir d'un modèle de simulation numérique. Comme cela est illustrée sur la courbe de la figure 7, lorsque la résistance parallèle Rp est très élevée, les pertes sont réduites mais la 3047084 4 surtension est très peu atténuée. En revanche, lorsque la résistance est très faible, c'est-à-dire de l'ordre de la centaine d'ohms maximum, les pertes sont faibles et la tension de sortie limitée, mais dans ce cas la précision n'est pas très élevée. En effet, le courant mesuré dépend alors 5 de l'impédance de ligne dont la valeur ne peut être connue avec une grande précision. Le courant ICTout circulant dans la résistance de mesure peut s'exprimer en fonction du courant primaire d'entrée : Rp ICTout = n (Rp + RB + R1) On remarque que l'erreur faite sur le courant mesuré sera de 10 l'ordre de grandeur de la somme des précisions relatives des résistances Rp, RI et RB. Autant RB et Rp peuvent être précises, autant RI est soumise à l'imprécision sur la connaissance de la longueur de la ligne. Comme cela est illustré sur la figure 8, le montage classiquement utilisé pour une protection par adjonction d'un 15 condensateur se compose du TI, d'une résistance de charge RB et d'un condensateur C monté en parallèle en sortie du TI. Pour ce type de protection, il est nécessaire de bien dimensionner la valeur de capacité du condensateur. Pour dimensionner la valeur de la capacité optimale, on considère que lorsque la résistance de 20 charge RB est déconnectée, la tension de sortie doit être inférieure à la tension de saturation pour une valeur du courant efficace lie circulant dans la spire primaire donnée (en général le courant nominal primaire). On établit un modèle équivalent représenté sur la figure 9 dans lequel le courant k circulant dans le condensateur vaut Ii(t)/n, avec n le 25 nombre d'enroulements secondaires du TI, et comprenant une résistance Ro, correspondant à la résistance de l'enroulement secondaire. On écrit que le courant Ic dans la capacité vaut aussi : diTcTout Ic = C dt Avec C la valeur de la capacité du condensateur et Vo-out la tension aux bornes du TI et donc aux bornes du condensateur. 30 La tension de aux bornes des enroulements vaut : 1 V = VCTout RwICTout = é ICTout dt + RwicroutJ 3047084 5 Avec ICTout le courant délivré par le 11, c'est-à-dire au niveau du modèle équivalent, le courant circulant dans l'enroulement et la résistance de l'enroulement secondaire Le courant circulant dans la capacité peut aussi être exprimé en 5 fonction du courant primaire //eff. Ileff. IcTout = 1-7 v 2 sin(wt) Ainsi en régime sinusoïdal, on a : 1 V = (-i - + R(0) IcroutCw On en déduit : 1 1 111711= .\1((Cco)2 + R(20) 11-IcToutll = i((Cco)2 + En écrivant la loi de Lentz : dcp dB V = n7lt =nSdt elle aussi en régime sinusoïdal : IIVII = nScollB il 10 On en déduit que : 1 =(cto)2 + Rîo) En développant : n2ScollB II \( 1 fr + R2,,) I le f f \v-- )2 ( (n2swilBfi2 (1 (Cco)2 R(20) lieffa 1 (712SCOIIB11)2 2 (Cw)2 IleffV-2 -1?'° Finalement on trouve : 1 C= co (n2SwIlB11)2 /1.eff R,2, On choisira la valeur de capacité supérieure à la valeur 15 précédemment déterminée afin d'assurer la non saturation du noyau magnétique. I f f Ïieff 3047084 6 C> 1 (n2St° B"1") lieff 2 L'inconvénient majeur de cette solution est qu'elle peut difficilement être utilisée pour réaliser des protections différentielles. En effet lors d'un court-circuit, le courant capacitif peut être identifié par la protection différentielle comme un courant de défaut différentiel. 5 Il existe d'autres protections faisant généralement appel à une électronique active qui réduit la fiabilité de l'ensemble du dispositif de mesure du courant comportant le TI. C'est pour cette raison que ce type de protection n'est pas retenu. L'adjonction de protections, tels que des résistances entre 10 autre, sur le TI entraine généralement une perte de précision sur la mesure de sortie finale. Cette perte de précision génère alors un besoin de remonter les seuils de détection des défauts, notamment pour les défauts différentiels. De plus, ces protections ne peuvent généralement pas 15 supporter un défaut permanent. Elles peuvent donc elles aussi entraîner une surchauffe et un départ de feu. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à fournir une protection efficace pour protéger 20 à la fois un dispositif de mesure de courant comportant un transformateur d'intensité, et les opérateurs tout en conservant une précision suffisante pour répondre aux demandes avionneurs. Il est proposé pour cela, selon un objet de l'invention, un dispositif de mesure d'un courant protégé contre les surtensions en cas 25 d'ouverture du circuit dudit dispositif, le dispositif comprenant un premier transformateur d'intensité, une première borne de connexion à laquelle est raccordée une première borne du premier transformateur d'intensité, une seconde borne de connexion à laquelle est raccordée une seconde borne du premier transformateur d'intensité distincte de ladite première borne 30 du premier transformateur d'intensité, une résistance de protection dont une première borne est raccordée à la seconde borne de connexion, et une résistance de charge raccordée entre la première et la seconde bornes de connexion et aux bornes de laquelle est mesurée une tension à partir 1 3047084 7 de laquelle on détermine le courant circulant dans un circuit traversant le premier transformateur d'intensité, Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif de mesure comprend un second transformateur d'intensité raccordé aux 5 première et seconde bornes de la résistance de protection, et un moyen de dérivation du courant raccordé entre ladite première borne de connexion et la seconde borne de la résistance de protection. L'objet selon la présente invention permet de se prémunir de la perte de précision due à l'adjonction d'une protection contre les 10 surtensions de type résistive ou capacitive tout en supprimant, en cas d'ouverture du TI, tout risque de génération d'une haute tension dangereuse. En effet, la tension générée est une tension non destructive pour le TI et suffisamment basse pour ne pas électriser un opérateur (V 0,8), qui correspond à une connaissance de RI+RB à moins de 15 20% près, on obtient un gain sensible en terme de déphasage. Le déphasage est sensiblement réduit par rapport à une solution classique de l'état de la technique avec un transformateur d'intensité et un condensateur seul correspondant à la courbe avec y=0. Pour une résistance du bobinage des tores magnétiques 2 et 3 20 de 12 Ohms, une valeur R de la résistance de protection 7 de 11,5 Ohms, un nombre N1 et N2 de 1500 spires pour chacun des premier et second tores magnétiques 2 et 3 et un courant à mesure Iieff de 260 A, le dispositif de mesure de courant 1 présente en fonctionnement nominal, c'est-à-dire lorsque la résistance de charge 6 est correctement connectée, 25 des pertes de puissance réduites puisqu'elles sont de l'ordre de 1,06 W répartis de la manière suivante : 0,34 W via la résistance de protection 7 et 0,36 W via chacun des deux tores magnétiques 2 et 3. Avec les mêmes paramètres de fonctionnement, en fonctionnement avec la résistance de charge 6 déconnectée, le dispositif de mesure de courant 1 présente des 30 pertes de puissance également réduites pour un fonctionnement en défaut puisqu'elles sont de l'ordre de 2,1 W répartis de la manière suivante : 1,38 W via la résistance de protection 7 et 0,36 W via chacun des deux tores magnétiques 2 et 3. Ainsi, en cas de défaut du dispositif de mesure du courant 1 par 35 ouverture du transformateur d'intensité notamment, le dispositif 1 selon 3047084 16 l'invention présente moins de pertes qu'une solution de l'état de la technique utilisant par exemple un écrêteur. Dans d'autres modes de réalisation, le moyen de dérivation du courant peut être différent d'un condensateur. Il peut être par exemple un 5 tranzorb, ou un écrêteur, ou bien un montage en série de deux diodes Zener montées têtes bêches, ou encore un montage en parallèle d'une première branche comportant un nombre k de diodes montées en série dans un premier sens passant avec une seconde branche comportant un même nombre k de diodes montées en série dans un second sens passant 10 opposé au premier sens passant Sur la figure 13 est représenté schématiquement un circuit électrique d'un dispositif de mesure de courant selon un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments du dispositif de mesure de courant 10 identiques 15 au dispositif de mesure du courant 1 du premier mode de réalisation illustré sur la figure 10 portent les mêmes références numériques. Le dispositif de mesure de courant 10 selon le second mode de réalisation diffère du dispositif de mesure de courant 1 selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 10 par la capacité 8 formant le 20 moyen de dérivation du courant qui a été remplacée par un montage en parallèle d'une première branche comportant trois diodes montées en série dans un premier sens passant avec une seconde branche comportant également trois diodes montées en série mais dans un second sens passant opposé au premier sens passant. 25 La valeur R de la résistance de protection 7 étant choisie pour être la plus proche possible de la somme de la valeur RI de l'impédance de ligne 61 avec la valeur RB de la résistance de charge 6, en fonctionnement nominal du dispositif de mesure du courant 10, la tension aux bornes des diodes n'est pas suffisante pour les rendre passantes. 30 Ainsi aucune erreur de mesure supplémentaire n'est apportée par ce mode de réalisation. En cas de déconnexion de la résistance de charge 6, le courant de mesure 12 force la fermeture des trois diodes suivant le sens de circulation du courant dans le bobinage secondaire du premier tore 35 magnétique 2. 3047084 17 Le nombre k de diodes à mettre en série sur chaque branche du moyen de dérivation du courant dans le second mode de réalisation est donné par la relation suivante : k> (1 y) (Ri + RB) nvT7 seuii Pour une résistance du bobinage des tores magnétiques 2 et 3 5 de 12 Ohms, une valeur R de la résistance de protection 7 de 11,5 Ohms, un nombre N1 et N2 de 1500 spires pour chacun des premier et second tores magnétiques 2 et 3 et un courant à mesure Iieff de 260 A, le dispositif de mesure de courant 1 présente en fonctionnement nominal, c'est-à-dire lorsque la résistance de charge 6 est correctement connectée, 10 des pertes de puissance réduites puisqu'elles sont de l'ordre de 1,06 W, ce qui est égale aux pertes en fonctionnement nominale du dispositif de mesure de courant dans le premier mode de réalisation. Avec les mêmes paramètres de fonctionnement, en fonctionnement avec la résistance de charge 6 déconnectée, le dispositif de mesure de courant 1 présente des 15 pertes de puissance également réduites pour un fonctionnement en défaut puisqu'elles sont de l'ordre de 2,725 W répartis de la manière suivante : 1,38 W via la résistance de protection 7, 0,36 W via chacun des deux tores magnétiques 2 et 3, et 0,625 W via le montage de diodes. Ainsi, en cas de défaut du dispositif de mesure du courant 10 20 par ouverture du transformateur d'intensité notamment, le dispositif 10 selon l'invention présente également moins de pertes qu'une solution de l'état de la technique utilisant par exemple un écrêteur. Protéger un TI contre les surtensions en cas d'ouverture du circuit secondaire a un coût notamment en terme de masse. Les solutions 25 classiques exposées ci-dessus montrent que si on veut être tolérant à ce type de défaut de façon permanente, il faut à minima doubler la masse du moyen de mesure, et donc potentiellement son prix, notamment à cause des moyens de dissipation d'énergie calorifique à prévoir. L'objet selon l'invention proposée double elle aussi le prix et la 30 masse du TI classique non protégé. Cependant, elle offre le cumule des avantages suivants : - Protection des opérateurs en cas de défaut TI, notamment en cas d'ouverture du TI au niveau du circuit secondaire. 3047084 18 - Compatibilité avec l'avion à structure Carbone en ce qui concerne les seuils minimum de courant de défauts à détecter. - Tenue en permanent en cas de défaut TI. Ces solutions sont envisageables pour les réseaux triphasés de 5 puissances supérieures à 90kVA ce qui n'est pas forcément le cas des solutions utilisant des écrêteurs qui sont limités par la puissance pouvant être dissipée. Le gain de masse entrainé par l'avion « carbone » peut justifier l'augmentation de masse et de coût de cette solution sachant qu'elle est la 10 seule compatible au besoin de précision lié à cette nouvelle technologie « carbone » et qu'elle offre en même temps une protection efficace en cas de défaut tant pour l'opérateur que pour l'équipement dans lequel elle est installée. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif (1, 10) de mesure d'un courant protégé contre les surtensions en cas d'ouverture du circuit électrique dudit dispositif (1, 10), le dispositif (1, 10) comprenant un premier transformateur d'intensité (2), une première borne de connexion (4) à laquelle est raccordée une première borne (21) dudit premier transformateur d'intensité (2), une seconde borne de connexion (5) à laquelle est raccordée une seconde borne (22) dudit premier transformateur d'intensité (2) distincte de ladite première borne (21) du premier transformateur d'intensité (2), une résistance de protection (7) dont une première borne (71) est raccordée à la seconde borne de connexion (5), et une résistance de charge (6) raccordée entre la première et la seconde bornes de connexion (4 et 5) et aux bornes de laquelle est mesurée une tension à partir de laquelle on détermine le courant circulant dans un circuit traversant le premier transformateur d'intensité (2), caractérisé en ce qu'il comprend un second transformateur d'intensité (3) raccordé aux première et seconde bornes (71, 72) de la résistance de protection (7), et un moyen de dérivation du courant (8, 80) raccordé entre ladite première borne de connexion (4) et la seconde borne (72) de la résistance de protection (7). 2. Dispositif (1, 10) selon la revendication 1, dans lequel la résistance de protection (7) possède une valeur ohmique (R) correspondant, à 20% près et plus particulièrement à 10% près, à la somme de la valeur ohmique (RB) de la résistance de charge (6) avec la valeur ohmique (R1) de l'impédance de ligne (61) correspondant à la résistance de la ligne électrique couplant la résistance de charge (6) aux première et seconde bornes de connexion (4 et 5). 3. Dispositif (1, 10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les premier et second transformateurs d'intensité (2 et 3) sont des tores magnétiques identiques possédant notamment le même noyau magnétique et le même nombre de spires (N1 et N2). 3047084 20 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen de dérivation du courant comprend un condensateur (8). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel 5 le moyen de dérivation du courant comprend un moyen d'écrêtage tel qu'un tranzorb. 6. Dispositif (10) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen de dérivation du courant comprend un montage en 10 parallèle (80) d'une première branche comportant un nombre k de diodes montées en série dans un premier sens passant avec une seconde branche comportant un même nombre k de diodes montées en série dans un second sens passant opposé au premier sens passant. 15 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le moyen de dérivation du courant comprend un montage en série de deux diodes Zener tête bêches. 8. Dispositif (1, 10) selon l'une des revendications 1 à 7, 20 comprenant en outre un dispositif de détection de défaut des moyens de mesure du courant de la tension aux bornes de la résistance de charge (6). 9. Système de mesure triphasé des courants circulant dans les 25 trois phases d'un circuit triphasé, le système comprenant trois dispositifs (1, 10) de mesure selon l'une des revendications 1 à 8, les secondes bornes de connexion des dispositifs étant couplées ensemble. 10. Aéronef comprenant au moins un dispositif de mesure du 30 courant selon l'une des revendications 1 à 9.