Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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~ 2~0~ 33
"Di~positif de protectio~ pour appareil~,
ma~hine~ et installation~ électrique3"
La présente invention concerne un dispositif de
protection pour appareils, machines et installations
S électriques, ce dispositif prot~geant des lignes électri-
gues dites ~utilisatrices", reliées ~ des lignes d'alimen-
tation électrique.
;` En particulier, la présente invention 8 ~ applique à
la sécurité des installations électriques complêtes des
habitations, ~ la protection des systemes électroniques ou
informatigues contre les surtensions, à la sécurité des
utilisateurs de machines ou appareils é}ectriques dans
l'industrie ou dans tout autre domaine d'activité.
Les dispositifs connus ce jour, de type
lS disjoncteur ou fusible, ne permettent pas de couper une
ligne électrigue assez vite pour éviter une électrocution
ou une déterioration de composants. De plus, leur temps de
s~ réaction e8t trop long pour as6urer une bonne protection
en cas d'orage par exemple. Par ailleur6, ces systèmes ne
protagent que certaines lignes électrigues mais pas le
neutre o~ la terre.
D'autres dispositifs connus mesurent un courant
résiduel par rapport ~ la pri~e de terre. De ce fait, ces
dispositifs sont sensibles aux parasites et leur seuil de
déclenchement doit ~tre ~levé.
De plu8, tou~ les dispositirs cit~s plus haut ne
reconnectent pa~ le~ lign-s apre~ l~ur d~clen¢bement, ce
gui peut ~tre pr~udiciable au fonctionnement des alarmes,
réfriqérateurs, congélateurs, aquariums, pendant de
longues absences de l'utilisateur ou du propriétaire.
La présente invention pr~tend remédier ~ ces
inconvénients par l'utilisation d'une connexion de toutes
les lignes ~ protéger entre elles de maniere à créer une
` ligne de potentiel d'une valeur déterminée et constante
pendant le fonctionnement normal de l'installation à
protéger, par la détection d'une variation de ce potentiel
~,'
- -
'!
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2 (~
par rapport au neutre et par la coupure automatique et
rapide de l'alimentation des lignes à proteger dès qu'une
variation dudit potentiel est détectee
Le dispositif objet de la présente invention est
donc un dispositif de protection pour appareils, machines
et installations électriques comportant des lignes
; électriques utilisatrices à protéger, reliées à des lignes
d'alimentation électrigue, caractérisé en ce qu'il
comporte en combinaison au moins un pont de résistances
reliant les lignes électriques utilisatrices et créant en
un de ses points un potentiel déterminé, fixe au cours du
fonctionnement normal de l'installation ; un moyen
d'isolation relié ~ ce point et amplifiant la différence
de potentiel entre ce point et une ligne de terre ou de
neutre ; un circuit ~ seuil reli6 ~ la sortie de ce moyen
d'isolation ; un processeur connecte ~ la sortie de ce
circuit à seuil ; et un moyen de connexion et de
d~connexion des lignes d'alimentation par rapport aux
lignes électriques utili6atrices ~ protéger command6 par
ledit processeur, de telle manière qu'une variation
anormale de tension sur une d~ lignes électriques
provoque une variation du potentiQl au point pr~cit~,
cette variation étant d~toctee par le circuit à seuil, qui
la transmet au processeur, lequel provoque alors la
déconnexion des lignes d'alimentation d'avec les lignes
61ectrique~ utili~atrice6
L4 ~onctionnement du diepo-itif peut ~tro command~
par un circuit num~rlgue a~outant des fonctions
suppl6mentaires, et le ~euil de d6clenchem~ent peut ~tre
réglable
Selon une variante du di6positif de l'invention,
la protection peut s'effectuer partiellement sur certaines
parties d'une installation ~lectrique De plus, la remise
en fonctionnement de l'installation, par reconnexion des
lignes coupées avec l~s alimentations, peut être commandée
- . ,
. .
- , -
WO92/14291 PCT/FR92/0~9~
par le dispositif dans un délai mémorisé variable selon le
nombre de coupures de lignes déj~ effectuées.
Plus géneralement, toutes les fonctions, telles
que seuils et délais, peuvent être programmées par
l'utilisateur.
Un des avantages du dispositif selon la présente
invention réside en ce que plusieurs réseaux ou une
multitude de lignes peuvent ~tre surveillés simultanément
par un circuit electronique ou "carte" de détection et que
le circuit numérique est adapté à contrôler plusieurs
cartes de détection 6imultanément. En conséquence, quel
que soit le nombre de transformateurs, d'onduleurs ou
- d'alimentations électriques d'u~e installation électrique,
chacune de ses lignes peut être surveillée par le
dispositif objet de la présente invention. Inversement,
chaque ligne peut etre surveill~e individuellement et
parallèlement ~ toutes les autres.
La description qui suit, faite dans un but
explicatif et nulle~ent limitatif en regard du dessin
annexé, permettra de mieux comprendre les avantages, buts
et caractéristiques de la pr~sente invention.
Dans le dessin annex~ :
- la figure l repr~sente un ~chema de principe du
dispositif de protection selon l'invention ;
- la figure 2 represente un schéma ~lectronique
; d'une carte de d~tection in¢orpor~e dans le diopo~itlf de
la figure l ;
- la figure 3 repr~sQnt- un organigramme de
fonctionnement de ce meme dl~positlf ;
- la figure 4 représente la connexlon du
dispositif de la figure l ~ un réseau de distribution
électrique ;
- la figure 5 represente un schema électronique
.
d'une carte de détection présentant les mêmes fonctions
que la carte de la figure 2 et constituant une variante.
:
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2~X~1~3
.. 4
: Si on se réfère d'abord à la figure 1, on voit des
lignes electriques 1 d'une installation utilisatrice
reliées à des lignes électriques d'alimentation
extérieures 2, une ligne de terre o~-de neutre 3, un pont
de rési6tances 4 reliant toutes les lignes 1, un point de
potentiel déterminé 5 du pont 4, un moyen d'isolation et
d'amplification 6 relie au point 5 et ~ la ligne de terre
ou de neutre 3, un circuit ~ seuil 7 relié a la sortie du
moyen d'isolation et d'amplification 6, un moyen de
connexion et de déconnexion 8 des lignes d'alimentation 2,
par rapport aux lignes utilisatrices 1, relié d'une part
au circuit ~ seuil 7 et d'autre part à un processeur 9
lui-même relié ~ une mémoire 10, ~ une intérface 11 et au
circuit ~ seuil 7.
Le pont de résistances 4, le point de potentiel 5,
le moyen d'isolation 6, le circuit ~ 6euil 7 et le moyen
de connexion et de d~connexion 8 constituent ensemble une
carte'de detection de~ign~e globalement par 12.
Le6 ligne6 d'alimentation 2 et la ligne de terre
ou de neutre 3 sont generalement de6 ligne6 du secteur
- d'alimentation, nota~ment d'un r~6eau alternatif triphasé
ou d'un re6eau monopha~é.
Le point de potentiel S e~t relié par les branches
du' pont de r~sistances 4 aux lignes 1 de manière
barycentree, de telle manière que 60n potentiel ait une
~ valeur determinee et fixe, et ~oit notamment nul, lor~que
:~ . les lignes 1 portent de~ potent~el~ normaux.
Le moyen d'i~olation 6 peut ~tre par exemple
constitu~ d'un tran~form~teur torique, tel que représenté
sur la 'figure 2, ou d'un ~mplificateur opérationnel tel
que repre6enté sur la figure 5. Ce moyen d'isolation 6
amplifie la différence de potentiel entre le point S et la
ligne de terre ou de neutre 3.
Le circuit ~ ~euil 7 tran6met un signal lorsque la
différence de potentiel en 60rtie du moyen d'i601ation 6,
elle-même image de la différence de potentiel entre le
. . ..
;i , .
.
' ~
.
.
,, ., . :: . . . , '
,
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2 ~ 3 ~
point 5 et la ligne de terre ou de neutre 3, est
supérieure ~ une valeur prédéterminée.
Le moyen de connexion et de déconnexion 8 peut
être constitué de relais, de contacteurs électro-
magnétiques ou statiques ou d'autres dispositifs électro-
mécaniques. Il connecte ou déconnecte les lignes
d'alimentation 2 avec les lignes électriques utilisatrices
1.
Enfin le processeur 9 peut être un ordinateur, un
micro-contr81eur, un calculateur ou tout autre moyen
informatique. Il possède une interface 11 permettant un
dialogue entre l'utilisateur et le dispositif. Le
processeur 9 est programmé selon un programme conservé
dans une mémoire 10 pour controler le fonctionnement des
éléments du dispositif.
En gén6ral l'interface 11 permet la connexion d'un
moyen d'aff~chage et d'un clavier. Elle permet aussi la
connexion du di~positif avec un système informatique ou
avec des moyens d'enregistrement permettant de transférer
les informations contenues dan6 la m~moire 10. Ces
informations peuvent notamment concerner les incidents
survenus sur les lignes d'alimentation 2.
Le dépas6ement du seuil prédéterminé par le signal
sortant du moyen d'isolation et d'amplification 6
déclenche la deconnexion des ligne~ utilisatrices 1 d'avec
les ligne~ d'alimentation 2.
Le proc-~seur 9 ordonne la reconnexlon des lignes
1 et 2 aprè~ un délai m~mori~ dans la mémoire 10 et
choi6i par l'utilisateur.
De cette manière, une variation anormale de
tension ~ur une des lignes electriques utili6atrices 1
provoque une variation du potentiel normalement fixe du
point 5, cette variation étant détect~e par le circuit à
seuil 7 qui la transmet au processeur 9, lequel ordonne au
~5 moyen 8 la déconnexior des lignes utilisatrices 1 d'avec
les lignes d'alimentation 2.
,
. . .
W092tl4291 PCT/FR92/~99
~X~
- 6
si on se réfère maintenant à la figure 2, on voit
un mode de réalisation de la carte de détection 12. Pour
une meilleure compréhension de l'invention deux réseaux
sont ici représentés, à savoir un réseau monophasé 13 et
un réseau triphasé 14. Un des avantages de l'invention est
en effet que plusieurs types de réseaux differents peuvent
être protégés simultan~ment par la même carte de détection
12.
Les réseaux 13 et 14 comportent chacun des lignes
~lectriques d'alimentation 2 et de6 lignes électriques
utilisatrices 1 séparées par un relais 20. Les lignes
utilisatrices 1 du réseau triphasé 14 sont reliées à un
connecteur 15, relié par ailleurs ~ la terre 16 et à un
tore 51 par des lignes d'alimentation 17 et 18, ainsi qu'à
un transformateur d'isolement 50. Le pont de résistances 4
est ainsi relié directement aux lignes 1 du réseau
triphasé 14, sortant d'un transformateur d'isolement
triphas~ 50' lui-meme relié aux liqnes d'alimentation 2,
tandis gue le transformateur d'isolement 50 s'intercale
entre le pont 4 et les ligne~ 1 du r~seau ~onophasé 13. Le
transformateur 51 est un tore disposé autour des deux
lignes 1 du réseau monophas~ 13, avec neutre ~ la terre.
Le pont de r~sistances 4 relie toutes les lignes 1
un primaire 21 d'un transformateur torique 23 élévateur
de tension, utilisé en amplificateur. Le secondaire 22 de
ce transformateur 23 e~t reli~ ~ un ¢lrcuit r~dr~8eur 24.
Le signal de ~ortie du olrcuit r-dre~eur 24 ain~i qu'une
valeur de potentiel fix~e par un potentiom~tre 25 sont
amen~6 ~ un opto-coupleur 26 lui-meme reli~ ~ une baecule
27. La sortie de la bascule 27 est reli~e par un opto-
coupleur 28 ~ un amplificateur 29 relié a un contacteur
52.
Enfin, un connecteur 30 est adapté ~ relier le
proce6seur 9 ~ la carte de détection 12 de telle manière
que le processeur 9 co~mande la bascule 27 et les relais
20, et perçoit la position du contacteur 52.
, - . .
, ~ ' -
.. . .
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0~33
On comprend que le transformateur 23 et les opto-
coupleurs 26 et 28 servent a isoler les diff~rentes
fonctions de la carte de détection 12, le transformateur
23 amplifiant le signal fourni par le pont ~. Un
déséquilibre de ce pont 4 provoque l'apparition d'un
courant passant dans le point 5 et d'un potentiel aux
bornes du secondaire 22 du transformateur 23. Cette
différence de potentiel est redressée par le circuit 2.4 et
selon la valeur d'un seuil fixée par le potentiomètre 25,
la bascule 27 change d'état et provoque l'ouverture des
relais 20 par l'intermédiaire du contacteur 52.
En comparai60n avec la figure 1, on comprend que
le moyen d'isolation et d'amplification 6 est constitué
ici par le transformateur 23. Le circuit ~ seuil 7 est
constitué par le circuit redresseur 24 et le potentiomètre
25, et le moyen de connexion et de d~connexion 8 par la
bascule 27 associée au contacteur 52 et les relais 20.
Pour une r~alisation optimale du dispositif de
: l'invention, le primaire 21 du transformateur 23 doit être
adapté à fonctionner ~ partir de 1 ~ 2 milliamperes. De
cette manière tout defaut d'$solement d'une des lignes 1
par rapport ~ la terre 16 est détecté et provoque la
déconnexion des lignes 1 par rapport aux lignes 2.
Le transformateur d'isolement monophas~ 50 permet
de détecter les surtensions apparaissant sur les lignes 1
et de d~clencher alors la d~connexion ~lectrique de~
lignes 1 d'avec les llgne~ 2. L4 neutre du prlmair~ du
transformateur 50 e8t rell~ ~par un conducteur non
représent~) ~ la ligne d'alimentation 17 reli~e aussi au
transformateur 51 ; ainsi on dispose d'une boucle de
raference permettant un fonctionnement du dispositif meme
si la prise de terre n'existe pas du cOté de
l'installation utili~atrice, d'où une sécurité
supplémentaire.
Le tore 51 permet de detecter les défauts
d'isolation des lignes 1 par rapport ~ la terre : en effet
, .
;
.
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208~
un défaut d'isolation entre une ligne 1 et la terre 16
provoque une surtension entre les lignes d'alimentation 17
et 18 du tore 51, surtension qui est d~tectée par le
circuit à seuil 7.
Le tore 51 peut être spécialement adapté pour
donner une sensibilité de deux milliampères au dispositif.
Par exemple, ces deux milliampères peuvent, en sortie du
tore 51, correspondre ~ trente millivolts. Un tel seuil de
déclenchement permet une excellente protection des
personnes sans risquer les déclenchements d~s aux
parasites sur le réseau.
Un autre avantage de ce mode de réalisation est
que les parasites de courte durée apparaissant sur les
lignes 1 ne provoquent pas de déconnexion, l'énergie
correspondant ~ ces parasites étant insuffisante pour
déclencher le fonctionnement de l'opto-coupleur 26.
En se référant maintenant ~ l~ figure 3, on voit
un organigramme de fonctionnement du dispositif selon
l'invention. Cet organigramme permet de preciser notamment
la programmation du processeur 9 et les moyens permettant
de réaliser des variantes du mode de raalisation décrit en
`~ réference aux figures 1 et 2. ~`
On trouve dans cette figure 3 des lignes
utilisatrices 1 reli~es ~ des ligne~ d'alimentation 2 du
secteur 31 et à une source d'alimentation autonome 32 par
des moyens de connexion et de d~connexion 8, et A une
carte de d6tection 12. Un analy~eur de d~fauts 33 est
relié par ~es entr~es ~ 1A carte de detection 12 et ~ un
moyen de programmation 34. A ses ~orties il fournit des
signaux de daconnexion 35 et de reconnexion 36 du secteur
et des signaux de déconnexion 37 et de reconnexion 38 de
l'alimentation autonome 32, des signaux d'affichage 39, de
mémorisation 40 et de signalisation 41.
Le moyen de détection 12 est constitué par l'une
des cartes représent~es sur les figures 2 ou 5, la
: . ,
. ~ ~.' ,..' ` ... . ..
.. . .
W092/14291 PCT/FR92/~99
2~8~ 1 33
deuxi~me carte étant cependant préférentielle (voir
description ci-après).
La source d'alimentation autonome 32 est
constituée par une batterie, un onduleur ou d'autres
S moyens électrogene6. L'analyseur de défauts 33 analyse
notamment sur le6 lignes l le~ 6urten6ions, le~ courants
porteurs, les para6ites, les micro-coupures, les
variations de tension ou de fréquence. Ces donn~es sont
mémori6ées, affichées ou 6ignalées en fonction de leur
importance ou de leur répétition.
La connexion de l'alimentation autonome 32 et la
déconnexion conjointe du secteur 31 sont par exemple
ordonn6es lorsqu'une micro-coupure dure plus d'une
seconde. Un signal de reconnexion 36 ou 38 est donné,
lS apre6 une déconnexion, dans un délai d'attente mémorisé
par progra~mation. Cependant, ce d~lai peut ~tre variable
en fonction des informations pr~cédemment mémori6~e6. Par
1 exemple, apre~ dix reconnexions réalis~es dans un certain
délai, le délai entre la d~connexion et la reconnexion
peut être allongé pour prot~ger le6 sy6teme6 électriques
relié6 aux lignes l.
Il est ~ noter que plu~iQurs carte6 de détection
`~ 12, chacune reliée ~ un systeme ~lectrique donn~, peuvent
; ~tre connectée6 ~ un 6eul Analyseur de d~fauts 33.
L'analy6eur de défaut~ me~orise alors une identification
de la carte de détection gui lui fournit d-~ ~ignaux de
d~faut.
-; Pour que l'~nalyseur de d~fauts 33 obtienne les
informations ~ur l'etat des lignes l, plu~ieur~ moyens
peuvent être utili6é6.
D'une part, pour la detection des surten6ions, une
re6i6tance élevée, par exemple de l mégohm, peut être
connectée en serie avec un opto-coupleur aux lignes l.
L'opto-coupleur peut être connecte en sortie avec
plusieurs co~parateurs de seuils r~glés à des valeurs
:
:
..... .
, . '
W092/t4291 PCT/FR92/~9
dif~erentés, la sortie des comparateurs étant reliée à une
ligne d'interruption du processeur 9.
D'autre part, pour la détection des sous-tensions,
on peut ajouter un filtre passe-bas entre l'opto-coupleur
li~ ~ la mesure de surtensions et un comparateur.
Enfin, la mesure de frequence peut ~tre réalisée
par comptage des passages ~ zero de la tension des lignes
1. Un compteur lie ~ une horloge et un comparateur
permettent de réaliser aisément cette fonction.
Le moyen de programmation 34 est, par exemple,
constitué d'un clavier.
La réalisation d'un seuil réglable peut consister
en l'utilisateur d'un transistor à effet de champ relie à
un convertisseur numérique-analogique dont 1'entrée est
reliée au processeur 9. Une autre réalisation de ce seuil
réglable peut consister en l'utilisation de plusieurs
rési~tances de ~aleurs differentes, l'une de ces
résistances étant sélectionn~e par un commutateur relie au
processeur 9.
Cet organigramme et la description de la figure 1
permettent de réaliser le proce8seur 9. On pourra, ,i cet
effet, se réferer ~ la con8titution des cartes de
traitement du signal et des cartes ~ microprocesseur.
Si on se refere ~ la figure 4 on voit les
connexions du dispo8itif ~ un ré~eau de distribution
monophas~ ou tripha6~.
On y voit reli~ entre eux succes~lvement des
lignes de di8tribution 2, un compteur 53, un dis~oncteur
differentiel 54, un moyen de connexion et de deconnexion
8, un transformateur d'isolement 55, un autre moyen de
connexion et de d&connexion 8 et une des lignes
d'alimentation d'une installation electrique 56. Un
circuit de détection 12 est connecté aux lignes 2. Le
processeur 9 est reli~ ,~ ce circuit de détection 12, ~ la
terre 16 et aux moyens de connexion et de déconnexion 8.
:........ . . .
W092/14291 PC~/FR92/~
2 ~ 3 3
- 11
Selon cette insertion du dispositif dans
l'installation électrique d'un local relié à un réseau de
distribution, la reconnexion se fait en deux temps, de
telle maniare que les syst~mes électriques reliés aux
lignes électriques 1 sont protégés.
La figure 5 représente un autre schema de
réalisation d'une carte de detection 12 qui peut remplacer
celle qui est représentée ~ la figure 2, l'application
un réseau monophas~ ici représent~ n'étant pas limitative.
L'une des caractéristigues de l'invention consiste
en l'isolement électrique du pont 4 et de la sortie du
moyen d'isolation et d'amplification 6, le dispositif
présentant une tres grande sensibilité grace à ce
découplage electrique. Toute alimentation du circuit à
seuil 7 qui serait commune avec l'une des lignes
détériorerait cette sensibilité.
Dans la figure 2, le circuit à seuil 7 est
alimente électriguement par le tran~formateur torique 23,
dans lequel le primaire 21 et le secondaire 22 sont isolés
~- 20 l'un de l'autre.
D'autres moyens d'alimentation du circuit à seuil
7 electriquement isole~ du pont 4 sont po6sibles :
alimentation par cellule solaire, par pile, par batterie,
par accumulateur ou par transformateur.
Dans la figure 5 les moyen~ d'alimontation du
circuit ~ ~euil 80nt con~titu~s p~r un transformAteur, qui
est distinct du moyen d' i901ation t d'ampli~ication 6.
Dans cette figure S on voit des lignes electriques
d'alimentation 2 sépares de lignes électrigues
utilisatrices 1 par un moyen de connexion et de
deconnexion 8, un pont de résistances 4 comportant un
point de potentiel déterminé, normalement fixe 5 reli~ a
l'entrée d'un amplificateur opérationnel 42, cet
amplificateur 42 étant alimenté par un transformateur 43
relie aux lignes 2, la sortie de l'amplificateur
opérationnel 42 étant reliée ~ un convertisseur
W092/14291 PCT/FR92/~
2~80~ 33
12
analogique-numérigue 44 lui-même relié au processeur 9,
lequel est relié au moyen de connexion et de déconnexion
8. L'amplificateur 42 ainsi aliment8 constitue le moyen
d'isolation et d'amplification 6.
S Un des avantages de ce dernier mode de,réalisation
reside en ce que le processeur 9 peut analyser les
irregularites des potentiels portés par les lignes 1 grace
a des valeurs num8riques. L'analyse des surtensions, des
micro-coupures, des changements de fréquence est alors
rendue possible.
D'autres modes de réalisation suggérés par les
remarques faites en regard de la figure 5 permettent de
réaliser d'autres dispositifs conformes à l'esprit de
l'invention.
lS Il est ~ noter que le dispositif réalisé selon la
description de~ figures 1 à S peut permettre de detecter
des chocs 81ectrique~ da~ a la foudre dans un rayon de
cinguante kilomètres de son point d'impact.
L'interface 11 du processeur 9 permet aussi la
sortie d'informations sur une imprimante, ou sur un
modulateur-d~odulateur. La mémorisation des evenements
anormaux se produi6ant sur les lignes 1 permet aussi
l'analyse d'experts en cas de litiges avec le fournisseur
d'electricité, ou en cas de détériorations d'appareils
sous garantie ou ~ous contrat de maintenance.
Il e~t ~ noter que le di~poeitif de protection
ob~et de la pr~-nt- invention doit pref~rentiellement
oomporter un circuit de d~t-ction devant chaque appareil
sensible aux variation~ d'alimentation et en amont et en
aval de chaque transrormateur, ou onduleur de
l'installation 81ectrique protégée. De plus, chaque ligne
1 peut ~tre surveill~e par une carte de détection
particulière 12.
Il va de soi que la présente invention ne saurait
être limit8e ~ la description qui pr8cède de certains de
ses modes de r8alisation, susceptibles de subir un certain
.
:. .
' ~ ,
'
: `' . ~,
W092/14291 PCT/FR92/OOOg9
2~80:~3~
13
nombre de modifications sans pour autant sortir du cadre
de l'invention.
.
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