DIFFERENTIAL PROTECTIVE DEVICE WITH INHERENT POWER SUPPLY

Abstract: 1. A differential tripping device in which the tripping energy, supplied to a polarized tripping relay (20) is generated by the secondary winding (18, 36) of a differential transformer (10) by a differential fault appearing in primary windings (14, 16) of the differential transformer (10), the winding (26) of the polarized relay (20) being connected to said secondary winding (18, 36) by a full-wave rectifier (19, 34) with diodes (D1, D2) characterized in that said winding (26) of the polarized relay, having an inductance and a time constant allowing, when a pulsating fault current occurs, a successive accumulation of energy at each pulse for a tripping control for a predetermined threshold and a quasi-instantaneous tripping control, when a continuous fault having a higher value than the threshold, suddenly occurs.

Description: Dispositif de déclenchement différentiel à propre courant. L'invention est relative à un dispositif de déclenchement différentiel dans lequel l'énergie de déclenchement fournie à un relais de déclenchement du type polarisé est engendrée dans le bobinage secondaire d'un transformateur différentiel par un défaut différentiel apparaissant dans les enroulements primaires du transformateur différentiel. Un dispositif différentiel du genre mentionné, qui ne nécessite aucune source auxiliaire d'alimentation, est particulièrement adapté à la protection différentielle d'une installation basse tension domestique ou artisanale qui doit être simple et économique. Le dispositif est avantageusement incorporé ou associé à un interrupteur ou à un disjoncteur à bottier moulé, par exemple du type miniature. Il assure la protection des personnes contre les contacts indirects et fréquemment une protection complémentaire contre les contacts directs, en particulier lorsque sa sensibilité est supérieure à environ 30 milliampères. L'obligation de réagir à de très faibles courants de défaut et d'autre part de disposer d'une énergie mécanique suffisante à la commande du verrou du disjoncteur ont contraint les constructeurs à développer des dispositifs d'accumulation d'énergie, notamment à condensateurs, à circuits résonnants, à relais polarisés et ana Vogues, qui sont parfaitement efficaces en présence d'un ccurant de défaut alternatif. Or, ces dernières années on incorpore de plus en plus fréquemmert des dispositifs électroniques à effet redresseur du courant dans de nombreux appareils d'utilisation, notamment pour le réglage de la vitesse des moteurs, et ces dispositifs redresseurs peuvent engendrer une composante continue susceptible d'influencer le fonctionnement du dispositif différentiel ou même de le rendre inopérant. Le besoin s'est fait sentir de développer un disjoncteur différentie ] à propre courant et à haute sensibilité capable d'assurer une protection efficace des personnes dans tous les cas de figure. A cet effet, il est apparu nécessaire que les dispositifs différentiels soient sensibles aux courants alternatifs, aux courants pulsés et aux courants continus appliqués brutalement. Le seuil de sensibilité dans le cas du courant continu appliqué brutalement peut être supérieur à celui d'un courant de défaut alternatif, mais la temporisation au déclenchement doit être notablement inférieure. La contrainte d'un déclenchement quasi instantané élimine toutes les solutions d'accumulation d'énergie dans un condensateur qui retardent touJours le déclenchement. Sont également éliminées toutes les solutions réagissant Åa une seule alternance ou à une seule polarité du courant de défaut et aucun des dispositifs connus ne réalise le but précité de la présente invention, d'une protection efficace pour tout défaut. Le dispositif selon la présente invention est caractérisé par le fait que le bobinage du relais polarisé, relié audit bobinage secondaire par un redresseur à double alternance à diodes, présente une inductance suffisante à une accumulation d'énergie de déclenchement dans le circuit magnétique du relais. L'enroulement secondaire du transformateur différentiel alimente directement, par l'intermédiaire du redresseur à double alternance, le relais de déclenchement du type polarisé. Le déclenchement intervient des le franchissement du seuil prédéterminé et indépendamment de la polarité du signal de défaut. Le relais possède une très faible puis sance de déclenchement, par exemple de l'ordre de VA, et une constante de temps supérieure à 15 ms, par exemple voi- sine de 30 ms.La self importante du relais permet un stockage d'énergie de déclenchement dans le fer. Pour accroltre la puissance du signal délivré par le transformateur différentiel il est avantageux de réaliser le circuit magnétique de ce transformateur en un matériau présentant une forte différence entre les inductions de satu ration et de rémanence. La puissance disponible au niveau du relais peut également être augmentée par l'adjonction d'czar condensateur modifiant le déphasage entre le courant et la tension aux bornes de l'enroulement secondaire du trensformateur différentiel et en combinant ces deux dispositions il a été possible de respecter l'encombrement des disjoncteurs miniatures, notamment la hauteur de 66 mm, en répondant aux conditions précitées de sensibilité, notas' Puent d une composante continue. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plue cleirement de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés dans le dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente le schéma d'un dispositif de dé elenchement selon l'invention; la figure 2 est une vue analogue à celle de la fig. 1, représentant une variante de réalisation; les figures 3 et 4, analogues aux figures 1 et 2, illustreni des perfectionnements. Sur les figures, un transformateur différentiel 10 à circuit magnétique 12 en forme de tore porte deux enroulements primaires 14, 16 et un enroulement ou bobinage seconraire 18. Le transformateur 10 est incorporé ou associes à a' un disjoncteur électrique (non représente) de coupure dc conducteurs de phase et de neutre connectés aux enroulements 14, 16. Le déclenchement du disjoncteur est piloté par un relais 20, dcnt la palette 22 actionne la serrure du disjoncteur. La palette 22 coopère avec une culasse fixe 24 en forme de U dont l'une des branches porte un bobinage 26. Un aimant permanent 28, intercalé entre les branches du U, maintient la palette 22 en position accolée à l'en contre d'une force de rappel 30. De tels relais polarisés 20 sont bien connus et présentent l'avantage d'une faible puissance de déclenchement. L'une des extrémités du bobinage 26 du relais 20 est reliée à un point milieu 32 de l'enroulement secondaire 18, tandis que l'autre extrémité est reliée par l'intermédiaire de deux diodes D1, D2 aux deux extrémités de l'enroulement secondaire 18. Le redresseur 19 à double alternance, constitué par les diodes D1, D2 transforme le courant alternatif engendré dans ltenroulement secondaire 18, lors de l'apparition d'un courant différentiel dans les enroulements primaires 14, 16, en courant continu d'alimentation du relais 20, de polarité appropriée. Selon la présente invention la constante de temps du relais 20, en l'occurrence le rapport entre son inductance Z et L sa résistance R, est élevée, en particulier R > 15 ms. Le bobi- nage 26 peut par exemple comporter 8000 spires d'un fil d'un diamètre de 0,04 mm, R étant dans ce cas voisin de 30 ms. Ce rapport élevé, allié à l'alimentation du relais en courant continu, permet une accumulation d'énergie dans le fer suffisante au déclenchement. Le très grand nombre de spires du bobinage 26 réduit l'intensité du courant traversant les diodes Oî, D2 et en conséquence les pertes dans ces diodes. Selon un développement de l'invention le circuit magnétique 12 du transformateur différentiel est réalisé en un matériau à induction de saturation élevée et à induction rémanente faible. En présence d'un défaut différentiel à composante continue, la courbe d'hystérésis du matériau du circuit 10 est parcourue entre ces deux valeurs extrêmes en engendrant un signal d'une amplitude notable dans l'enroule net secondaire 18 d'une manière bien connue des #pécialistes. Le dispositif selon la fiv. 1 fonctionne de la manière suivante En fonctionnement normal d'égalité des courants dans les enroulements primaires 14, 16 aucune tension n'est induite dans le secondaire 18 et le relais 20 est maintenu en position collé. Lors d'un déséquilibre entre les courants, en l'occurrence lors d'un défaut différentiel entre des courants alternatifs, un signal de défaut en forme de courant alternatif est engendré dans 11 enroulement secondaire 18 et ce signal est appliqué, après redressement à double alternance par les diodes D1, D2, au bobinage 26 du relais 20. L'effet d'accumulation dans le fer du relais 20, grâce à l'inductance élevée du bobinage 26, permet d'atteindre le seuil de déclenchement. La chute de tension dans les diodes D1, D2 est maintenue faible car la valeur du courant dans le circuit est faible et une seule des diodes est, à un instant donne, branchée dans le circuit. Le relais 20 déclenche à l'une quelconque des alternances du signal sans temporisation. Si les courants dans les enroulements primaires 14, 16 sont des courants continus pulsés ou des courants alternatifs présentant une composante continue qui sont comparables aux courants continus pulsés, un signal alternatif est induit dans l'enroulement secondaire 18. L'amplitude de ce signal est fonction de l'amplitude d'induction, qui est la diffé rence entre l'induction de saturation et l'induction réma nente, et grâce au choix du matériau magnétique ce signal est suffisamment puissant pour actionner le relais 20 de la manière décrite ci-dessus. Le déclenchement intervient sans retard. Lors d'une application brusque d'un courant continu, par exemple lors d'un défaut à la terre en aval d'un élément redresseur, l'un des enroulements primaire 14, 16 est par couru par un courant continu, le courant dans l'autre en roulement étant nul. La variation brusque du courant induit un signal temporaire dans l'enroulement secondaire 18, qui alimente le relais 20. Il est à noter que le relais 20 dé clenche quelle que soit la polarité du signal transmis soit par la diode D1, soit par la diode D2 et le déclenchement est instantané. L'amplitude d'induction importante du tore 12 garantit un niveau suffisant du signal. La faible chute de tension dans les diodes et l'accumulation d'énergie dans le fer du relais 20 sont également favorables. Sur les figures 2 à 4, les mêmes numéros de repère sont utilisés pour désigner des éléments analogues ou identiques à ceux de la figure 1. Le dispositif selon la figure 2 comporte un redresseur à double alternance constitué par un pont de diodes 34, relié aux bornes d'un enroulement secondaire 36. Cet enroulement 36 ne comporte plus de point milieu de raccordement, mais l'emploi d'un pont de diodes implique une connexion en série de deux diodes dans le circuit d'alimentation du relais 20, ce qui augmente les chutes de tension. Le fonctionnement est bien entendu identique à celui décrit ci-dessus, le relais 20 réagissant à l'une quelconque de l'alternance du signal de défaut. Sur la figure 3 un condensateur C1 est relié aux extrémités de 11 enroulement secondaire 18, et la valeur de cette capacité, qui modifie le déphasage entre le courant et la tension au secondaire, est choisie pour élever au maximum la tension par spire. On augmente ainsi la puissance disponible à l'alimentation du relais 20. A titre d'exemple cette capacité peut être d'environ 100 nanofarad. Un deuxième condensateur C2, représenté en trait discontinu, peut être branché aux bornes du bobinage 26 pour améliorer le lissage de la tension redressée, mais ce condensateur C2 temporise le déclenchement et le choix de sa valeur doit résulter d'un compromis entre le retard au déclenchement et une puissance accrue. La figure 4 représente le dispositif selon la figure 2, doté des condensateurs précités C1 et C2. Il est facile de voir que le dispositif de déclenchement différentiel selon l'invention est particulièrement simple et ne nécessite aucune source auxiliaire. En utilisant un relais d'une sensibilité d'environ 200vU le dispositif a pu être logé dans l'encombrement de 68 mm d'un boîtier de disjoncteur miniature. Le dispositif assure une protection des personnes quel que soit le courant de défaut. L'invention n'est bien entendu nullement limitée au mode de mise en oeuvre plus particulièrement décrit et elle s'applique à des dispositifs triphasés ou autres.

Claims: Revendications 1. Dispositif de déclenchement différentiel dans lequel l'énergie de déclenchement fournie à un relais de déclenchement (20) du type polarisé est engendrée dans le bobinage secondaire (18, 36) d'un transformateur différentiel (10) par un défaut différentiel apparaissant dans les enroulements primaires 2 4, 16) du transformateur différentiel, caractérisé en ce que le bobinage (26) du relais polarisé (20), relié audit bobinage secondaire (18, 36) par un redresseur à double alternance (19, 34) à diodes (D1, D2), présente une inductance suffisante à une accumulation d'énergie de déclenchement dans le circuit magnétique (22, 24) du relais (20). 2. Dispositif différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage secondaire (18) présente un point milieu relié a l'une des bornes du bobinage (26) du relais (20), les extrémités du bobinage secondaire étant respectivement reliées par l'intermédiaire d'une diode (01, D2) à l'autre borne du relais pour limiter le nombre de diodes (D1, D2) insérées dans le circuit de déclenchement et les chutes de tension correspondantes. 3. Dispositif différentiel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique (12) du transformateur différentiel (10) est en un matériau dont le cycle d'hysterésis présente une grande différence entre les valeurs d'induction de saturation et de rémanence. 4. Dispositif différentiel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence entre les valeurs d'induction de saturation et de rémanence est supérieure à 3000 Gauss. 5. Dispositif différentiel selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par un condensateur (C1) d'adaptation d'impédance inséré dans le circuit de déclenchement. 6. Dispositif différentiel selon la revendication 5, carac tcrisé en ce que ledit condensateur (C1) est connecté aux bornes d'extrémités du bobinage secondaire (18, 36) du transformateur différentiel (10). 7. Dispositif différentiel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la constante de temps du relais polarisé (20) est supérieure à 4. 8. Dispositif différentiel selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'inductance du relais (20) est voisine de SO H pour un courant alternatif de 50 Hz et sa résistance voisine de 3 K,e.

Inventors: BONNIAU, MICHEL, ROULET-DUBONNET, JEAN-PIERRE
Applicants: MERLIN GERIN
Application year: 1983
Main classification: H02H3
IPC codes: H02H3, H01H71