Brevet FR3086061A1 — publié le 20200320

Description Titre de l'invention : Dispositif de commande d'un organe de coupure d'une installation électrique et procédé de test d'un tel dispositif woo Domaine de l'invention [0002] Le domaine de l'invention est celui des installations électriques, et plus particu- lièrement du pilotage des organes de sécurité d'une installation électrique. [0003] Plus particulièrement encore, l'invention concerne un dispositif de commande d'un organe de coupure d'une installation électrique, et notamment d'un disjoncteur ultra rapide. [0004] L'invention trouve notamment son application dans le domaine de l'alimentation électrique des réseaux ferroviaires, en particulier pour les réseaux de tramway, RER ("réseau express régional") et de métro. 1. Art antérieur [0005] Il est connu de sécuriser les installations électriques en plaçant des dispositifs de protection en court-circuit, tels que des disjoncteurs ou des fusibles, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur le circuit électrique. [0006] L'avantage des disjoncteurs par rapport aux fusibles est qu'ils sont réa niables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être réutilisés du fait qu'ils ne sont pas censés subir des avaries lors du fonctionnement. [0007] Pour les réseaux électriques du domaine ferroviaire, qui fonctionnent en courant continu et à des tensions comprises entre 750 et 3000V, les éléments de sécurisation du réseau comprennent, de manière classique, des disjoncteurs ultra rapides (ou DUR), c'est-à-dire ayant une vitesse d'ouverture rapide. [0008] Les normes NF EN 50126, NF EN 50 128, NF EN 50129 et IEC 61508 sont applicables à l'ensemble des acteurs du secteur ferroviaire et définissent des niveaux de sécurité permettant de réaliser des produits en adéquation avec les attentes sécuritaires. [0009] Pour les disjoncteurs ultra rapides et leur circuit de commande, il est nécessaire s'assurer, qu'en cas d'incident électrique, ils puissent pleinement remplir leur rôle. [0010] Classiquement, un disjoncteur ultra rapide est équipé cl' une bobine de commande pour ouvrir ou fermer le disjoncteur, et est piloté par un relais de protection. [0011] Pour tester le bon fonctionnement du relais de protection, il a été proposé de le faire commuter de manière régulière afin de vérifier qu'il passe bien d'un état ouvert à un état fermé. [0012] Un impératif est qu'une telle commutation doit se faire rapidement de sorte à ne pas couper le circuit de commande du disjoncteur, et donc l'alimentation du réseau 2 électrique. Or, une bobine de solénoïde d'un disjoncteur ultra rapide se démagnétise, de manière classique, en environ 6 millisecondes (ou ms). Or, il faut environ 5 millisecondes pour qu'un relais de protection commute, soit environ 10 millisecondes pour que le relais s'ouvre et se ferme. Ainsi, le temps que le relais soit ouvert puis fermé, la bobine de solénoïde du disjoncteur ultra rapide se décharge et le réseau électrique est coupé par le déclenchement du disjoncteur par la bobine. [0013] Il a été proposé de mettre en oeuvre dans le circuit de commande d'un tel disjoncteur deux transistors en série et de vérifier la tension aux bornes de chaque transistor pour s'assurer du bon fonctionnement du circuit. [0014] Toutefois, un inconvénient d'une telle solution est qu'elle met en oeuvre deux modes communs. [0015] Ainsi, il est possible que, si l'un des deux transistors est inutilisable (par exemple à cause d'un court-circuit ou d'une surtension), l'autre soit également inutilisable car cc qui provoque une avarie de l'un a de fortes chances de provoquer une avarie de l'autre transistor. [0016] Ainsi, les circuits de commande actuels des disjoncteurs ne peuvent pas être testés en continu sans provoquer une interruption du fonctionnement de l'installation électrique. 3. Objectifs de l'invention [0017] L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. [0018] Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un circuit de commande d'un disjoncteur qui soit fiable. [0019] Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique permettant de s'assurer du bon fonctionnement d'un tel circuit de commande sans affecter ou interrompre le fonctionnement de l'installation électrique. [0020] L'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui soit rela- tivement peu coûteuse à mettre en oeuvre et qui réponde aux exigences du ferroviaire et des normes en vigueur. 4. Exposé de l'invention [0021] Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints selon l'invention à l'aide d'un dispositif de commande d'un organe de coupure d'une installation électrique, tel qu'un disjoncteur ultra rapide, comprenant un relais de pilotage dont la borne d'entrée est reliée à des moyens d'alimentation élecnique et la borne de sortie est reliée à un transistor de puissance, la borne de sortie du transistor de puissance étant reliée audit organe de coupure, le dispositif comprenant en outre des moyens de contrôle en continu de l'état de fonctionnement dudit transistor de puissance, lesdits moyens de contrôle continu comprenant un circuit de commande du transistor de puissance apte à générer une impulsion électrique prédéterminée destinée 3 à faire commuter ledit transistor de puissance, un dysfonctionnement dudit transistor de puissance étant détecté lorsque ce dernier ne commute pas en réponse à ladite impulsion électrique prédéterminée. [0022] L'invention propose donc un dispositif pour l'essai du circuit de commande d'un dis- joncteur d'une installation électrique, sans interruption du fonctionnement de celle-ci. Cette fonction surveille en permanence le circuit de commande afin de s'assurer qu'il est apte à déclencher l'organe de coupure sans interrompre le fonctionnement de l'installation dans laquelle sont mis en oeuvre le disjoncteur et son circuit de commande. Le relais de protection est associé du côté de sa sortie à un transistor que l'on commande en commutation. S'il est détecté que le transistor ne commute, une anomalie est identifiée et le disjoncteur n'est plus alimenté jusqu'à ce que l'anomalie soit résolue. [0023] Avantageusement, lesdits moyens de contrôle continu comprennent en outre un circuit de mesure de la tension aux bornes dudit transistor de puissance, ledit circuit de mesure de la tension aux bornes dudit transistor de puissance comprenant une première portion de circuit située en amont dudit transistor de puissance et une deuxième portion de circuit située en aval dudit transistor de puissance. [0024] De façon préférentielle, ladite impulsion électrique prédéterminée est une mi- crocoupure de tension de durée comprise entre 0,1 ms et 1 ms. [0025] Selon une mise en oeuvre particulière, ladite impulsion électrique est appliquée pério- diquement, la période étant sensiblement égale à un dixième de milliseconde. [0026] De façon préférentielle, ledit transistor de puissance (2) présente un temps de com- mutation de 100 ns. [0027] Selon une mise en oeuvre particulière, le dispositif comprend en outre un circuit de commande dudit relais de pilotage. [0028] De façon préférentielle, ladite borne de sortie dudit transistor de puissance est une sortie « tout ou rien ». [0029] De façon avantageuse, ledit transistor de puissance et ledit relais de pilotage sont bi- nairement commandés en opposé. [0030] Selon une mise en oeuvre particulière, les moyens d'alimentation électrique alimentent l'installation électrique par un courant continu. [0031] L'invention concerne également un procédé de test d'un dispositif de commande d'un organe de coupure tel que décrit précédemment, le procédé comprenant les étapes suivantes : [0032] - une étape de génération d'une impulsion électrique prédéterminée destinée à faire commuter ledit transistor de puissance en réponse à ladite impulsion électrique prédéterminée ; [0033] - une étape de mesure de la tension en amont et en aval dudit transistor de puissance; 100341 - une étape de comparaison entre la tension mesurée en amont et en aval dudit transistor de puissance en fonction de l'état dudit transistor de puissance, de sorte à contrôler le bon fonctionnement dudit transistor de puissance. [0035] Préférentiellement, ladite étape de génération d'une impulsion électrique prédé- terminée étant de durée comprise entre 0,1 ms et 1 ms. [0036] De façon avantageuse, le procédé de test est répété périodiquement, la période étant sensiblement égale à un dixième de milliseconde. [0037] Selon une mise en oeuvre particulière, le procédé de test comprend en outre une étape de contrôle de l'état de fonctionnement dudit relais de pilotage. [0038] Préférentiellement, si une anomalie est détectée à l'étape de comparaison entre la tension mesurée en amont et en aval dudit transistor de puissance en fonction de l'état dudit transistor de puissance, le procédé comprend une étape de coupure de la tension au niveau de ladite home de sortie dudit transistor de puissance. 5. Liste des figures [0039] D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif et des dessins annexés parmi lesquels : [fig.1] présente un schéma fonctionnel simplifié d'un dispositif de commande d'un dis- joncteur ultra rapide selon un mode de réalisation de l'invention ; [fig.2] représente une table de vérité des circuits de mesure de tension mis en oeuvre dans le dispositif de commande selon le mode de réalisation de la [Fig. 1]; [fig.3] illustre le schéma électrique du dispositif de commande selon le mode de réalisation de la [Fig. 1], le disjoncteur ultra rapide n'étant pas représenté, et [fig.4] est une représentation d'un signal de test du transistor du dispositif de commande, selon le mode de réalisation des figures précédentes. 6. Description d'un mode de réalisation [0040] Les disjoncteurs ultra rapides, lorsqu'ils sont mis en oeuvre dans le domaine fer- roviaire, permettent de protéger et d'isoler la section, ou sous station, de la ligne aérienne de contact (ligne d'alimentation au-dessus du matériel roulant, par exemple pour un tramway), ou de la ligne au sol de contact (ligne d'alimentation sous le matériel roulant, par exemple pour un métro) contre les défauts et les éventuelles surcharges. lls peuvent, par exemple, être sécurisés par un verrouillage mécanique, afin de permettre une éventuelle action de maintenance sur la section électrique en toute sécurité. Enfin, ils sont aptes à communiquer avec les disjoncteurs des sous-stations adjacentes. [0041] De sorte à remplir sa fonction, le disjoncteur ultra rapide comporte un circuit interne de coupure comprenant une bobine électromagnétique de commande. Cette bobine présente un temps de démagnétisation de plusieurs millisecondes, généralement de l'ordre de 5 à 10 millisecondes. De cette manière, le disjoncteur ultra rapide est protégé contre les microcoupures qui pourraient avoir lieu au sein du circuit électrique dans lequel il est placé, et ne disjonctera pas à chaque microcoupure inférieure au temps de démagnétisation de la bobine. [0042] Afin de commander un tel disjoncteur ultra rapide, et notamment de le faire commuter lorsqu'une défaillance est détectée dans le circuit électrique dans lequel il est situé, l'invention propose un dispositif de commande de structure nouvelle. [0043] On présente maintenant, en relation avec les figures 1 à 4, un dispositif de commande d'un organe de coupure d'une installation électrique selon un mode de réalisation de l' invention. [0044] Comme illustré en figure 1, le dispositif de commande ou de pilotage 1 d'un organe de coupure d'une installation électrique, qui est dans ce mode de réalisation un disjoncteur ultra-rapide 4, comprend un relais de puissance, dit de pilotage, 3 constituant un interrupteur et comprenant une bobine commandant un contact. La borne d'entrée du relais de pilotage 3 est reliée à des moyens d'alimentation électrique 5 et sa borne de sortie est reliée à un transistor de puissance 2 formant un interrupteur, la borne de sortie du transistor de puissance 2, dite sortie rapide, étant reliée au disjoncteur ultra-rapide 4. [0045] Ainsi, le relais de pilotage 3 et le transistor de puissance 2 sont montés en série dans le circuit d'alimentation de la bobine de commande du disjoncteur ultra rapide 4, la bobine de commande étant destinée à fermer ou ouvrir le disjoncteur lorsqu'elle est alimentée ou non, respectivement. [0046] Selon un aspect d'un mode de réalisation, cette borne d'entrée du relais de pilotage peut par exemple comprendre un condensateur coudé [0047] Dans ce mode de réalisation, les moyens d'alimentation électrique fournissent un courant continu. [0048] Le courant transitant dans le disjoncteur ultra-rapide peut varier de 0 A à 8 kA en nominal et peut tolérer des défauts jusqu'à 100 kA. [0049] Selon un mode de réalisation, de sorte à protéger l'installation en cas, notamment, d'erreur de branchement (inversion des pôles par exemple), le dispositif de commande peut en outre comprendre au moins une diode de protection, par exemple une première diode 8 en série avec une diode Zener 9. 6 [0050] La mise en oeuvre du relais de pilotage 3 et du transistor de puissance 2 permet d'obtenir un double niveau de sûreté de fonctionnement, sans mode commun, de sorte à pouvoir, par exemple en cas de détection d'une anomalie sur le circuit électrique, permettre le déclenchement de l'organe de coupure, à savoir le disjoncteur ultra rapide 4. [0051] Le transistor de puissance 2 est, dans ce mode de réalisation, un transistor MOSFET de type n (présentant une grille, un drain et une source). On rappelle que lorsque la tension grille-source VGs est inférieure à la tension de seuil, on dit que le transistor est bloqué, il ne conduit pas. Dans le cas contraire, on dit qu'il est passant, et dans ce cas, il conduit le courant entre le drain et la source. Ainsi le transistor de puissance 2 peut commuter selon la tension appliquée entre la grille et la source. [0052] Pour répondre aux modes de défaillance (hloqué ouvert ou hloqué fermé) du transistor de puissance 2, le relais de pilotage 3 est disposé en série (pour le mode bloqué fermé) et dans le mode bloqué ouvert, le danger pour les personnes est nul car le disjoncteur ultra rapide 4 est hloqué ouvert. [0053] L'invention propose de vérifier en cours de fonctionnement que le transistor de puissance 2 et le relais de pilotage 3 ont les capacités de commuter. [0054] Pour ce faire, le dispositif de commande ou de pilotage 1 comprend des moyens de contrôle en continu de l'état de fonctionnement du transistor de puissance 2, lesdits moyens de contrôle en continu comprenant un circuit de commande 21 apte à générer une impulsion électrique prédéterminée destinée à faire commuter ledit transistor de puissance 2. [0055] Comme illustré en figure 3, dans ce mode de réalisation, le circuit de commande 21 du transistor de puissance 2 comprend un convertisseur de tension, 211 et un amplificateur opérationnel 212 qui est monté selon un montage suiveur. [0056] Le circuit de commande 21 est configuré pour injecter un signal de test sur la grille du transistor de puissance 2. [0057] Le convertisseur de tension 211 est plus particulièrement programmé pour établir une séquence d'essais prédéterminée de sorte à déterminer le fonctionnement ou le non fonctionnement du transistor de puissance 2 en continu. Ceci permet de tester à tout moment l'état de fonctionnement du circuit de commande du disjoncteur. [0058] Le test est effectué par l'intermédiaire d'un programme exécuté par le convertisseur de tension 211. Ce test peut être déclenché périodiquement. [0059] De cette manière, un dysfonctionnement du transistor de puissance 2 (qui correspond au blocage du transistor en positon ouverte ou fermée) peut être détecté lorsque ce dernier ne commute pas en réponse à une impulsion électrique prédéterminée envoyée par le circuit de commande 2. Cette impulsion électrique correspond à une microcoupure de tension de durée comprise entre 0,1ms et lms. 7 [0060] Il est à noter que, dans cc mode de réalisation, le transistor de puissance 2 a un temps de commutation de 100 ns. [0061] Dans le présent mode de réalisation, le signal de test illustré en figure 4 comprend une impulsion électrique périodique, la période étant comprise entre X et Y secondes. [0062] Dans le mode de réalisation décrit, cette période est de l'ordre du dixième de mil- liseconde. [0063] Pour vérifier si la commutation du transistor de puissance 2 est effective en réponse à une impulsion électrique prédéterminée, les moyens de contrôle en continu comprennent en outre un circuit de mesure de la tension aux homes du transistor de puissance 2. [0064] Le convertisseur de tension 211 détecte ainsi la tension aux homes du transistor de puissance 2 par le biais d'un circuit de mesure de tension qui est monté en dérivation aux bornes du transistor de puissance 2 pour détecter un état de conduction ou de non conduction de celui-ci aux fins de réaliser un test de son bon fonctionnement. [0065] Cc circuit de mesure de la tension aux bornes du transistor de puissance 2 comprend une première portion 6 de circuit placée en amont du transistor de puissance 4 et une deuxième portion 7 de circuit placée en aval du transistor de puissance 4. [0066] Comme illustré en figure 3, dans ce mode de réalisation, chacune de ces deux portions 6, 7 du circuit de mesure de la tension aux bornes du transistor de puissance est muni d'une pluralité de modules, chacun de ces modules comprenant un transistor relié à une résistance. [0067] En effet, en générant des impulsions électriques, on incite le transistor de puissance 2 à commuter. Si la valeur de tension aux bornes du transistor de puissance 2 ne change pas alors il est déterminé que ce dernier est bloqué en position ouverte ou fermée. Dans le cas contraire, si la valeur de tension aux bornes du transistor de puissance 2 change, il est déterminé que ce dernier est en bon état de fonctionnement, et est apte à remplir son rôle de coupure de l'installation en cas de besoin. [0068] De sorte à effectuer cette vérification, ce dispositif de commande 1 met en oeuvre un procédé de test, également objet de l'invention. [0069] Ce procédé de test comprend les étapes suivantes : [0070] - une étape de génération d'une impulsion électrique prédéterminée destinée à faire commuter le transistor de puissance 2 en réponse à l'impulsion électrique prédéterminée ; [0071] - une étape de mesure de la tension en amont et en aval du transistor de puissance 2 ; [0072] - une étape de comparaison entre la tension mesurée en amont et en aval du transistor de puissance 2 en fonction de l'état dudit transistor de puissance 2, de sorte à contrôler le bon fonctionnement du transistor de puissance 2. [0073] Comme décrit précédemment, l'étape de génération d'une impulsion électrique pré- 8 déterminée est mise en oeuvre, selon les modes de réalisation, pendant une durée comprise entre 0,1 ms et 1 ms. [0074] En outre, de sorte à ce que le contrôle soit continu, et selon le mode de réalisation présenté, le procédé de test est répété périodiquement, la période étant de l'ordre du dixième de milliseconde [0075] De cette manière, la commutation du transistor de puissance 2 est testée à chaque période. [0076] A chaque période, correspondant à chaque itération du procédé, la tension en amont et en aval du transistor de puissance 2 est mesurée puis est comparée en fonction de l'état dudit transistor de puissance 2, de sorte à contrôler le bon fonctionnement du transistor de puissance 2. [0077] On présente en figure 2 une table de vérité représentant l'état de la tension sur la borne de sortie (aval) 22 du transistor. [0078] Il est à noter que cette borne de sortie 22 du transistor de puissance 2 est une sortie « tout ou rien », qui laisse donc passer, soit l'intégralité du courant, soit aucun courant, selon l'état de commutation du transistor. [0079] En outre, afin de protéger cette sortie 22 de pics de courant et de tension, notamment rencontrés lors d'ouvertures du disjoncteur ultra-rapide, un circuit de protection 23 est mis en oeuvre à proximité de cette home de sotie 22. [0080] Un tel circuit de protection comprend, dans ce mode de réalisation, une pluralité de diodes « de roue libre » et d'un transistor MOSFET de type n. [0081] Par ailleurs, le transistor de puissance 2 et le relais de pilotage 3 sont binairement commandés en opposé. En d'autres termes, le relais de pilotage 3 est actif (fermé) avec une commande à 0 et inactif (ouvert) avec une commande à 1 tandis que le transistor de puissance est actif (fermé) avec une commande à 1 et inactif (ouvert) avec une commande à O. [0082] Ceci permet de s'assurer que le disjoncteur ultra rapide puisse être ouvert lorsque le transistor de puissance 2 est défaillant (bloqué ouvert ou bloqué fermé). [0083] Comme illustré en figure 2, dans une première situation (correspondant à la première ligne de la table de vérité), lorsque le relais de pilotage est actif et que le transistor de puissance est inactif, la première portion 6 de circuit de mesure détecte une tension en amont du transistor de puissance 2 tandis qu'aucune tension n'est détectée en aval du transistor de puissance 2 par la deuxième portion 7 de circuit de mesure. La borne de sortie 22 du transistor de puissance 2 présente un courant nul. [0084] Dans une deuxième situation, lorsque le relais de pilotage 3 est actif et que le transistor de puissance 2 est actif, les première 6 et deuxième 7 portions de circuit détectent une tension. La borne de sortie 22 du transistor de puissance 2 présente un courant positif 9 [0085] Dans une troisième situation, lorsque le relais de pilotage 3 est inactif et que le transistor de puissance 2 est inactif, les première 6 et deuxième 7 portions de circuit ne détectent aucune tension. La borne de sortie 22 présente un courant nul. [0086] Enfin, dans une quatrième situation, lorsque le relais de pilotage 3 est inactif et que le transistor de puissance est actif, la première portion 6 de circuit de mesure ne détecte aucune tension en amont du transistor de puissance 2 tandis qu'aucune tension n'est détectée en aval du transistor de puissance 2 par la deuxième portion 7 de circuit de mesure. La borne de sortie 22 du transistor de puissance 2 présente un courant nul. [0087] Ainsi, lorsqu'une anomalie est détectée à l'étape de comparaison entre la tension mesurée en amont et en aval du transistor de puissance 2 (typiquement les première et quatrième situations), en fonction de l'état du transistor de puissance 2, cette anomalie est remontée par logiciel pour déclencher le « watchdog ». Cette information force l'ouverture du disjoncteur ultra rapide. [0088] Il est à noter que, selon un mode de réalisation, ce « watchdog » peut également sc déclencher si aucune tension n'est détectée en amont et en aval. [0089] Cette étape de coupure peut, selon le mode de réalisation présenté, apparaître au bout d'un nombre prédéterminé d'itérations. [0090] En d'autres termes, avant d'ouvrir le disjoncteur ultra-rapide, le procédé de test peut être itéré une ou plusieurs fois, de sorte à s'assurer que l'anomalie est bien réelle, ceci afin d'éviter que l'ouverture du disjoncteur ultra-rapide ne soit faite par la transmission d'une anomalie inexistante. Cette pluralité d'itérations permet ainsi de s'assurer de la véracité de cette anomalie avec une fiabilité renforcée. [0091] Par exemple, on peut prévoir qu'au bout d'une dizaine d'itérations présentant une anomalie, le procédé comprend une étape de coupure de la tension sortant de la borne de sortie 22 du transistor de puissance 2. [0092] On peut également prévoir qu'au bout de cinq itérations, par exemple, présentant une anomalie, le procédé comprend l'étape de coupure de la tension sortant de la borne de sortie 22 du transistor de puissance 2. [0093] Une telle temporisation permet notamment d'écarter un risque de mauvaise décision d'ouverture du disjoncteur ultra rapide. [0094] Selon un mode de réalisation particulier, le procédé peut comprendre en outre une étape de contrôle de l'état de fonctionnement du relais de pilotage 3. [0095] Une telle étape de contrôle de l'état de fonctionnement du relais de pilotage 3 peut par exemple être mise en oeuvre avant chaque redémarrage du réseau électrique, ou lors de phases de maintenance périodiques (mensuelle, annuelle). [0096] Cette étape de contrôle peut permettre également de déterminer s'il faut activer ou non le relais de pilotage, par le biais du circuit de commande du relais. [0097] La condition de fermeture du relais de pilotage peut comprendre une pluralité de conditions préalables tel que l'état « prêt » du relais de pilotage, l'absence de défaut détecté dans le réseau électrique et notamment au niveau du transistor. [0098] TI est à noter qu'en cas d'absence d'alimentation du relais de pilotage, le relais n'étant pas alimenté, le circuit est ouvert et le disjoncteur ultra rapide également. [0099] Les phases de maintenance périodique peuvent également comprendre des étapes de contrôle de commutations (ouverture et fermeture) du relais de pilotage 3 et du transistor de puissance 2. [0100] Une telle phase de maintenance peut consister en un test comprenant les étapes suivantes : manoeuvre d'ouverture (ou désactivation) et fermeture (ou activation) du relais de pilotage et/ou du transistor de puissance ; mesure du temps de réponse du relais de pilotage et/ou du transistor de puissance ; mesure du temps de réponse du réseau électrique en globalité. [0101] TI est à noter que le procédé de test de dispositif de commande d'un organe de coupure objet de l'invention peut être adapté pour tout type de disjoncteur ultra-rapide. [0102] Par exemple, on pourrait prévoir que le disjoncteur ultra-rapide soit un disjoncteur 24 V, 48 V voire 127 V. 11