PROTECTION APPARATUS AGAINST OVERVOLTAGES IN ELECTRICAL LOW-VOLTAGE INSTALLATIONS OR NETWORKS

Abstract: 1. Device for protection against external or internal overvoltage, generated in a low voltage electrical installation, or in a distribution system, comprising a neutral conductor (N) and at least a phase conductor (L), said device being connected to earth and housed in an insulated case (20) of a module (10, 100) comprising : an overvoltage limiter (12) having non linear elements, variable with voltage, a breaking device (14) with an operating mechanism (16) of contacts (36a, 38a) electrically connected in series with the limiter (12), and a trip-release (18) co-operating with the mechanism (16) to control the disconnection of the protection device by automatic opening of the contacts (36a, 38a) of the breaking device (14) following a defective state of the elements of the overvoltage limiter (12), a first connection terminal (22) which may be connected to the phase conductor (L), a second connection terminal (26) which may be connected to earth (T), characterized in that the module (10, 100) comprises : a third connection terminal (24) which may be connected to neutral conductor (N), three star-coupled circuits (C1, C2, C3) having a first phase circuit (C1) connected between the common point (34) of the star and the first terminal connection (22), a second neutral circuit (C2) connected between common point (34) and the third connection terminal (24) and a third earth circuit (C3) connected between the common point (34) and the second connection terminal (26), each circuit (C1, C2, C3) comprising a non linear element (28, 30, 32) of the limiter (12), having a nominal voltage greater than half of the voltage value, existing between the phase conductors (L) and the neutral conductor (N) of the system, to provoke, during the destruction of anyone of non-linear elements (28, 30, 32) the destruction of series elements, the trip-release (18) of the mechanism (16) being inserted in the first phase circuit (C1), and a movable contact (38a, 36a) of the breaking device (14) disposed in each of the first and second phase circuits (C1) and neutral circuit (C2) in series with associated non linear element (28, 30), non linear element (32) of the third earth circuit (C3) being directly connected between common point (34) of the star and the second connection terminal (26).

Description: APPAREIL DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS POUR UNE INSTALLATION OU UN RESEAU éLECTRIQUE A BASSE TENSION. L'invention concerne un appareil de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne engendrées dans une installation électrique basse tension ou dans un réseau de distribution comprenant un conducteur de neutre N et au moins un conducteur de phase L, ledit appareil étant en liaison avec la terre. et comportant, logés dans un boitier - un limiteur de surtension à éléments non linéaires variables avec la tension, - un appareil de coupure à mécanisme d'actionnement de contacts disposés électriquement en série avec le limiteur, - et un déclencheur coopérant avec le mécanisme pour commander la mise hors service de l'appareil de protection par ouverture automatique des contacts de l'appareil de coupure suite à un état défectueux des éléments du limiteur. L'utilisation de plus en plus importante de récepteurs contenant des semi-conducteurs (téléviseurs, chaines HI FI, miniinformatique, etc...) oblige de plus en plus les utilisateurs à se protéger contre les surtensions véhiculées par le réseau d'alimentation électrique. Ces surtensions provoquées soit par des décharges atmosphériques, soit par des manoeuvres peuvent atteindre plusieurs KV entre les conducteurs actifs du réseau et la terre. Si on admet que la tenue diélectrique de l'appareillage électrotechnique est de l'ordre de 3.000 volts alors que celle des appareils électroniques est de l'ordre de 1.500 volts, il y a donc un risque de détérioration. Le principe du dispositif de protection consiste à écrêter les montées de potentiel en provoquant un écoulement de courant à la terre au moyen des éléments non linéaires du limiteur de surtznsion. Un tel dispositif connu est décrit dans la demande de brevet européen N 46.545, dans laquelle l'état du limiteur de surtension est surveillé par un appareil de coupure à déclencheur magnétothermique. Les diffé rents éléments non linéaires variables avec la tension du limiteur de surtension, notamment éclateur à gaz, varistance à l'oxyde de zinc ou au carbure de silicium, diode à avalanche contrôlée, peuvent présenter deux états après leur dcstruction : - mise en court-circuit suite à une surcharge brève mais élevée dans le cas où aucune tension ne reste appliquée aux bornes; - destruction avec coupure de la jonction dans le cas où une tension reste appliquée aux bornes apres la mise en court-circuit. A partir de cette constatation, les éléments placés entre le neutre et la terre dans le cas d'un réseau de distribution en régime TT, risquent de se mettre en court-circuit après l'écoulement d'une décharge énergétique à la terre. Un tel défaut entre le neutre et la terre ne sera pas détecté ou éliminé avec le dispositif de l'art antérieur et il peut en résulter des risques pour l'installation, à savoir: - un défaut permanent d'isolement entre le secteur et la terre, - un aveuglement des dispositifs de protection différentielle placés en amont. Le but de l'invention consiste à éviter les inconvénients précités et à permettre la réalisation d'un dispositif fiable présentant une structure simplifiée capable de signaler l'état de la protection et d'assurer une triple limitation des surtensions entre neutre et phase, entre neutre et terre et entre phase et terre, indépendamment du régime de neutre du réseau. Les moyens pour réaliser ce but sont indiqués dans la partie caractéristique de la revendication 1. Un montage en étoile de trois varistances est déjà décrit dans le document US-A-3.894.274. Ce montage permet une réduction du nombre de varistances utilisées pour la protection contre les surtensions, mais en cas de destruction des varistances, ce montage peut engendrer un court-circuit et une destruction de l'installation. Selon la présente invention, un appareil défectueux est automatiquement et définitivement déconnecté. On remarque que le deuxième circuit de neutre et le troisième circuit de terre sont dépourvus de déclencheurs. La mise en court-circuit d'un quelconque élément non linéaire provoque une destruction en chaise de l'ensemble des éléments, suivie d'une augmentation importante du courant détecté par le déclencheur du premier circuit de phase. Pour un réseau monophasé, un seul déclencheur est aini nécessaire pour surveiller l'état de l'ensemble des éléments non linéaires du limiteur de surtension. L'appareil de coupure bipolaire comporte des contacts séparables dans chaque circuit de phase et de neutre. La varistance du troisième circuit de terre est connectée directement entre le point com mun de l'étoile et la terre. Le déclencheur du premier circuit de phase est agencé pour se trouver soit dans un état inactif lors du fonctionnement normal du dispositif de protection correspondant à la position de fermeture de l'appareil de coupure, soit dans un état actif de déclenchement lors de la mise en court-circuit d'un quelconque élément des circuits du limiteur en trainant l'ouverture de l'appareil. Le déclencheur peut être constitué soit par un organe de déclenchement électromagnétique à bobine d'excitation d'un circuit magnétique à armature mobile, soit par un organe de dérlenchement thermique à bilame. Le dispositif est équipé en plus d'organes de signalisation locale ou à distance de l'état de la protection selon la position d'ouverture ou de fermeture de l'appareil de coupure. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé qui va suivre de deux modes de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples et représentés au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 montre le schéma électrique d'un dispositif, de protection selon l'invention, associé à un réseau monophasé à régime de neutre TT, - la figure 2 représente le dispositif de la figure 1 avec signalisation locale et à distance de l'étant de la protection. Sur la figure 1 est représenté un module 10 de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne, et destiné à être utilisé en tête d'installation ou dans un réseau de distribution électrique à basse tension. Le réseau monophasé à régime de neutre TT comprend un conducteur actif de phase L et un conducteur de neutre N mis au potentiel de la terre. Le module 10 bipolaire renferme un limiteur de surtension 12 surveillé par un dispositif de coupure 14 à mécanisme 16 piloté par un déclencheur 18 électromagnétique ou thermique. Le bottier 20 isolant du module 10 comporte trois bornes 22, 24, 26 de connexion raccordées res pectivement aux conducteurs de phase L, de neutre N et à la terre T pour assurer un montage en parallèle du module 10 entre le réseau et la terre T. Le limiteur de surtension 12 du module 10 est équipé de trois varistances 28, 30, 32 connectées, électriquement en étoile à point commun 34 de manière à autoriser une triple limitation des surtensions entre neutre et phase, entre neutre et terre et entre phase et terre. La varis tance 32. inférieure est reliée à la borne 26 de raccor dement à la terre T, et la varistance 30 est branchée directement à l'un 36a des contacts mobiles du dispositif de coupure 14 bipolaire. La troisième varistance 28 est connectée au déclencheur 18 en série avec l'autre contact mobile 38a du dispositif 14. Les deux contacts fixes 36b 38b coopérant avec les contacts mobiles 36a, 38a du dispositif de coupure 14 sont en liaison électrique avec les bornes 24 et 22 de connexion du module 10 aux conducteurs de neutre N et de phaseL du réseau monophasé . Les varistances du type à oxyde de zinc ou de titane peuvent être remplacées par tout autre élément dc limitation non linéaire variable avec la tension notamment un circuit série comprenant un éclateur à gaz et une varistance, ou une diode à avalanche contrô 1 eue. L'appareil de coupure 14 bipolaire est formé par un disjoncteur miniature ou par un relais dont le mécanisme 16 est solidaire des contacts mobiles 36a, 38a. Le déclencheur 1s est de préférence électromagnétique à bobine de commande unique destinée à provoquer le déclenchement rapide du mécanisme 16 en cas de destruction ou de mise en court-circuit des varistances. Le déclenchement 18 peut être du type extracteur à armature mobile dont l'un des bouts coopère avec les contacts mobiles 36a, 38a et dont l'autre bout actionne le mécanisme 16. Le déclencheur 18 électromagnétique peut également être remplacé par un déclencheur thermique à bilame, ou par tout autre élément de déclenchement. La tension nominale de chaque varistance 28, 30, 32 est légèrement supérieure à la moitié de la valeur de la tension présente entre les conducteurs L et N du réseau protéger. Pour un réseau monophasé à 220 volts, la ter sinon nominale de chaque varistance sera de l'ordre de 130 volts. On remarque que le module 10 de protection contre les surtensions d'un réseau monophasé est constitué par un couplage en étoile de trois circuits comprenant - un premier circuit C1 de phase connecté entre le point commun 34 de l'étoile et la borne 22, et formé par la liaison en série de la varistance 32, du déclen cheur 18 et du contact mobile 38a, - un deuxième circuit C2 de neutre branché entre le point 34 et la borne 24 et comportant la varistance 30 en série avec le contact mobile 36a, - et un troisième circuit C3 de terre doté de l'unique varistance 32 reliée entre le point 34 et la borne 26. Le fonctionnement du module 10 de protection contre les surtensions selon la Figure 1 est le suivant L'association en série deux à deux des trois varistances 28, 30, 32 permet d'écrêter les surtensions entre - le neutre N et la phase L du réseau par la mise en série des deuxième et premier circuits C2, C1, - le neutre N du réseau et la terre T par la mise en série des deuxième et troisième circuits C2, C3, - entre la phase L du réseau et la terre T par la mise en série des premier et troisième circuits C1, C3. En fonctionnement normal du module 10 les contacts mobiles 36a, 38a de l'appareil 14 se trouvent en position de fermeture, car le déclencheur 18 reste inactif lors de décharges brèves à la terre. La capacité d'absorption des surtensions est très efficace grâce à la mise en série de deux varistances pour chaque type de défaut. En cas de mise en court-circuit d'une varistance par exemple 30, due au vieillissement du module 10 ou à des décharges importantes et répétées, la surcharge appliquée sur l'autre varistance entraine une destruction en haine des deux autres varistances. Il en résulte une augmentation importante du courant traversant 1e module 10, et la réaction instantanée du déclencheur 18 qui provoque l'ouverture rapide de l'appareil de coupure 14 et la mise hors service du module 10 coupé élctriquement du réseau. Cette disposition permet d'utiliser n seul déclencheur 1R inséré dans le premier circuit de phase C1 du module 10 et de détecter la destruction de tous les éléments de limitation. La commande du mécanisme est inaccessible ce qui permet d'avoir une visualisation efficace de l'état du limiteur de tension. La détection de la mise en court-circuit des varistances 28, 30, 32 est complétée par un dispositif de signalisation locable ou à distance de l'état de la protection. La figure 2 représente Ün module 100 bipolaire équipé du déclencheur 18 selon le dispositif de la figure 1, et d'éléments additionnels de signalisativn et de commande. Les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces identiques utilisées dans le dispositif de la figure 1. Le me- canisme 16 peut être équipé d'un témoin 40 de visualisation à deux positions stables 0 et T. L'ouverture de l'appareil de coupure 14 suite à un court-circuit d'une varistance détectée par le déclencheur 18 se traduit par l'apparition du voyant 0 du témoin 40 entraînant une signalisation mécanique locale de la mise hors service du module 100. Un voyant 42 lumineux est connecte en série avec une ré- sistance 44 entre les deux circuits C1 et C2, par exemple entre les deux varistances 28, 30 à l'opposé de leur point commun 34 de raccordement. En position de fermeture des contacts 36a, 38a de l'appareil 14, le voyant 42 est allumé en indiquant par une signalisation lumineuse locale le fonctionnement normal du module 100. L'extinction du voyant 42 par ouverture de l'appareil 14 signale la mise hors service du module 100. Le voyant 42 peut également être complété ou remplacé par un circuit 46 auxiliaire de signalisation lumineuse à distance de l'état de protection du module 100. Une commande 48 auxiliaire à distance peut être également actionnée grâce à un circuit électrique 50 de commande piloté par un contact inverseur 52 solidaire du mécanisme 16. Le principe de limitation des surtensions utilisé dans les dispositifs des Figures 1 et 2 peut être étendu à des réseaux polyphasés - soit en intégrant les varistances dans un même boiter, chaque circuit de p-hase du module ayant un déclencheur, - soit en juxtaposant plusieurs modules bipolaires 10 ou 100 des Figures 1 ou 2. Cette dernière disposition appliquée à un réseau triphasé avec neutre permet de conserver un certain niveau de protection mêne après la mise hors service d'un des modules 10 ou 100. L'invention n'est bien entendu nullement limitée aux modes de mise en oeuvre plus particulièrement décrits et représentés au dessin annexé , mais elle s' étend bien au contraire à toute variante restant dans le cadre des équivalences électrotechniques, notamment celle dans laquelle l'agencement du module 10 otl 100 du réseau monophasé à régime de neutre TT des Figures 1 et 2 serait appliqué à un autre réseau ayant un régime de neutre différent, par exemple TN ou IT.

Claims: REVENDICATIONS 1. Appareil de protection contre les surtensions d'origine externe ou interne er er-endrées dans une installation élec- trique à basse tension ou dans un réseau de distribution comprenant un conducteur de neutre (N) et au moins un conducteur de phase (L), ledit appareil étant en liaison avec la terre et comportant, logés dans un bottier - un limiteur (12) de surtension à éléments non linéaires variables avec la tension, - un appareil de coupure (14) à mécanisme (16) d'actionnement de contacts (36a, 38a) disposés électriquement en série avec le limiteur (12), - et un déclencheur (18) coopérant avec le mécanisme (16) pour commander la mise hors service de l'appareil de protection par ouverture automatique des contacts (36a, 38a) de l'appareil de coupure (14) suite à un état défectueux des éléments du limiteur (12), caractérisé par le fait qu'il comporte trois circuits (C1, C2, C3) couplés en étoile, un premier circuit (C1) de phase connecté entre le point commun (34) de l'étoile et le conducteur de phase (L), un deuxième circuit (C2) de neutre branché entre le point (34) et le conducteur de neutre (N) et un troisième circuit (C3) de terre relié entre le point (34) et la terre (T), chaque circuit (C1, C2, C3) comprenant un élément non linéaire (28, 30, 32) du limiteur (12), notamment une varistance dont la tension nominale est voisine de la moitié de la valeur de la tension présente entre les conducteurs de phase (L) et de neutre (N) du réseau, pour provoquer lors de la destruction de l'un quelconque des éléments (28, 30, 32), la destruction de l'élément en série, le déclencheur (18) du mécanisme (16) étant inséré dans le premier circuit (C1) de phase. 2.Appareil de protection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux circuits de phase C1 et de neutre C2 comportent chacun un contact mobile 38a, 36a de l'appareil de coupure 14, en série avec l'élément.28, 30 non linéaire associé, et que l'élément 32 du troisième circuit C3 est connecté directement entre le point commun 34 de l'étoile et la terre T. 3.Appareil de protection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par la fait que le déclencheur 18 du premier circuit C1 de phase est agencé pour se trouver soit dans un état inactif lors du fonctionnement normal de l'appareil de protection correspondant à la position de fermeture de l'appareil de coupure 14, soit dans un état actif de déclenchement lors de la mise en court-circuit d'un quelconque élément 28, 30, 32 des circuits C1, C2, C3 du limiteur 12 entralnant l'ouverture de l'appareil 14 sans possibilité de réenclenchement. 4.Appareil de protection selon la revendication 3, carac tersé par le fait que le déclencheur 18 est formé par un organe de déclenchement électromagnétique équipé d'une armature mobile coopérant avec le mécanisme 16 et d'une bobine de commande intercallée entre le contact mobile 38 a et l'élément non linéaire 28 du premier circuit C1. appareil de protection selon la revendication 3, caratrissé par le fait que le déclencheur 18 est constitué par un organe de déclenchement thermique à bilame. 6.Appareil de protection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le mécanisme 16 est doté d'un témoin 40 de visualisation à deux positions stables I et 0 correspondant respectivement à la fermeture et à l'ouverture de l'appareil de coupure 14, l'apparition du O du témoin 40 se traduisant par une signalisation mécanique locale de la mise hors service de l'appareil. 7.Appareil de protection selon l'unie des-revendications 1 à 6, caractérisé par la fait qu'entre les deux circuits C1 et C2 est agencé un voyant 42 lumineux et/ou un circuit auxiliaire 46 destiné respectivement à la signalisation locale ou à distance de l'état de l'appareil de protection. 8.Appareil de protection selon l'une des reverdications 1 à 7, caractérisé par le fait que le mécanisme 16 coopère avec un contact 52 inverseur d'un circuit 50 d'une commande auxiliaire 48 à distance. 9.appareil de protection selon l'une des revendications 1 à 8, associé à un réseau de distribution monophasé à régime neutre TT, caractérisé par le fait que le limiteur 12 à trois varistances 28, 30, 32 couplées en étoile est logé avec l'appareil de coupure 14 bipolaire dans un module 10, 100 commun comportant trois bornes 22, 24, 26de connexion des circuits C1, C2 C3 à la phase, au neutre et à la terre du réseauol'appareil de coupure 14 étant formé par un disjoncteur miniature ou un relais commandé par le déclencheur 18 unique du premier circuit C1 de phase.

Inventors: BONNIAU, MICHEL
Applicants: MERLIN GERIN
Application year: 1984
Main classification: H02H9
IPC codes: H02H9