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WO 2014/083271 PCT/FR2013/052858
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Dispositif limiteur de perturbations d'ordre électrique
La présente invention concerne un dispositif limiteur de perturbations
d'ordre électrique telles que des courants parasites induits par des
surtensions provoquées par des phénomènes notamment
électromagnétiques naturels ou suscités dont notre environnement actuel est
en permanence pollué . Dans les phénomènes naturels, le plus immédiat
et le plus connu est la foudre, qui peut provoquer des surtensions
importantes générant à leur tour des différences de potentiel variables,
détectables lors de la propagation de l'onde créée après l'impact du coup de
foudre par exemple sur le sol. Parmi les phénomènes suscités, la
prolifération des appareillages électriques et électroniques à multiples
vocations est également génératrice de signaux qui ne sont pas
nécessairement contrôlés et encore moins fonctionnellement utiles au
fonctionnement des équipements.
Les dispositifs limiteurs de l'invention ont notamment vocation à être
implantés dans des installations électriques comportant au moins une
charge, c'est-à-dire un appareil ou un équipement, ou encore au moins une
autre installation plus restreinte, et alimentés par le réseau électrique
commun, cette alimentation commune des composants ou parties de
l'installation étant en soi une cause de leur possible pollution par des
perturbations puisqu'ils sont tous reliés par ledit réseau. Nombre de ces
installations comportent des moyens de protection des lignes électriques, à
savoir au moins un appareil de type disjoncteur ou interrupteur différentiel
destiné à protéger au moins un circuit aval. L'alimentation par le réseau
implique en général l'existence d'un conducteur de neutre et d'au moins un
conducteur de phase, une liaison à la terre étant au surplus prévue pour que
le système soit complet du point de vue de la sécurité.
En somme, le dispositif de l'invention concerne toute installation
électrique alimentée via le réseau électrique puisqu'il est admis que des
perturbations, électromagnétiques ou autres, se manifestent inévitablement
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sur un tel réseau, perturbations qui sont susceptibles de dégrader les
performances des dispositifs connectés. Il a vocation à améliorer la
compatibilité électromagnétique (CEM) à plusieurs niveaux d'un système
global en rendant l'installation apte à mieux fonctionner dans son
environnement électromagnétique, sans produire elle-même des
perturbations électromagnétiques perturbatrices pour tout ce qui se trouve
dans cet environnement.
Les zones à protéger ou à immuniser sont de tous ordres, incluant les
maisons, appartements, bureaux, les lieux publics en général. Dans
certaines hypothèses, l'immunisation organisée dans le cadre de la présente
invention relève d'une nécessité fonctionnelle, par exemple dans certains
laboratoires, dans des salles de physiologie etc..
Les perturbations se manifestent par exemple sous forme de courants
issus de surtensions, mais l'augmentation constante des dispositifs
électroniques qui marque les temps présents s'analyse en pratique
également en une augmentation du nombre de capacités connectées
directement à la terre, accentuant le phénomène des courants parasites. Ces
perturbations peuvent également se manifester sous forme de courants
additionnels au courant d'alimentation, par exemple des courants induits par
une alimentation à découpage qui peuvent se propager d'une installation
électrique à une autre (courant de mode commun). Par ailleurs, toute
variation de champ électrique de haute fréquence (HF) auquel est soumis un
conducteur génère un courant électrique induit, indépendamment de
l'existence d'une surtension.
L'exemple déjà utilisé du coup de foudre est emblématique, puisqu'il crée
comme indiqué une variation de tension détectable lors de la propagation de
l'onde de foudre à travers la terre, et que celle-ci crée aux bornes de ces
capacités parasites des courants de fuite, par exemple entre le neutre et la
terre.
Le but de l'invention est de limiter l'entrée des courants perturbateurs
extérieurs dans l'installation, pour garantir au mieux l'équipotentialité des
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conducteurs de référence. L'originalité de cette invention est de travailler
sur
l'impédance (plan de référence) et sur le filtrage pour limiter les courants
HF
dans le but de respecter l'équation appliquée à la loi d'ohm U=Z*I=0 au
niveau du bâtiment. Cela permet d'isoler l'installation de l'extérieur et
ainsi
d'éviter d'avoir des potentiels non maîtrisés (flottants) qui peuvent
engendrer
des dysfonctionnements des appareils liés au réseau électrique de
l'installation.
Pour approfondir un peu plus précisément le contexte technique et les
mécanismes d'action des perturbations, il est à noter que la propagation
d'une surtension peut s'effectuer suivant deux modes distincts, le mode
commun (déjà mentionné) et le mode différentiel, selon qu'elle est transmise
entre l'ensemble des conducteurs actifs ou le neutre et la terre, ou qu'elle
apparaît entre les différents conducteurs actifs d'une même ligne ou d'un
même câble, c'est-à-dire en l'espèce entre phases ou entre phase et neutre.
Dans le premier cas, les courants induits circulent dans le même sens, alors
que dans le second cas, ils circulent en sens inverse, donc en opposition de
phase.
Toutes ces perturbations, qu'elles soient de courant ou de tension, sont
potentiellement créatrices de problèmes, notamment parce qu'elles peuvent
provoquer des déclenchements intempestifs de produits différentiels, et plus
généralement parce qu'elles nuisent au bon fonctionnement des
équipements et systèmes connectés. Il est donc important d'en analyser les
causes, et de trouver des dispositifs permettant d'en limiter les effets.
Ainsi, les courants haute fréquence (HF) (en mode commun) qui peuvent
se créer, lors de l'alimentation d'éléments actifs du circuit par le réseau de
distribution électrique, peuvent générer un bruit HF qui, s'il est du même
niveau que celui qui est par exemple requis pour la commande logique
d'équipements (niveau haut), peut affecter à mauvais escient le
comportement de portes logiques, sans possibilité de contrôle de la part des
utilisateurs ou du système, et provoquer un comportement erratique des
équipements concernés.
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De tels signaux HF peuvent par exemple être produits soit en interne, par
différents types d'appareillages standards (alimentation ondulée, à
découpage, etc...) ou résulter d'une captation externe (effets d'antennes..).
Les conséquences de l'apparition de ces signaux dans les circuits sont
innombrables et en augmentation constante, notamment du fait de la
prolifération toujours plus grande d'équipements électroniques dans notre
quotidien, qui bouleverse l'environnement électromagnétique des
installations électriques. Celui-ci est clairement de plus en plus pollué
par
la prolifération des signaux de toute sorte, induisant à leur tour et en un
cercle vicieux la génération de nouveaux signaux perturbateurs.
S'il existe à ce jour des dispositifs limiteurs localisés sur certains
équipements isolés (télévisions, ordinateurs, ...), rien n'a été réellement
fait
jusqu'ici à l'échelle des installations globales, à une époque où celles-ci
sont
pourtant amenées à communiquer et transmettre un nombre croissant
d'informations, au risque d'amplifier les problèmes en transmettant des
erreurs de mesure, de mauvaises informations ou des mauvaises décisions,
ou en provoquant des déclenchements intempestifs, ou encore en générant
des pannes ou incidents (démarrage intempestif d'une machine, par
exemple) d'équipements.
Pour remédier à ces insuffisances, diminuer le niveau des perturbations
au maximum, et parallèlement rendre les installations moins sensibles à
toute perturbation, notamment à haute fréquence, le dispositif limiteur de
perturbations dans une installation électrique de l'invention se caractérise à
titre principal en ce qu'il comporte un filtre passe-bas de mode commun
raccordé en parallèle entre le neutre et chaque phase d'une part, et la terre
d'autre part.
L'idée est de créer un court-circuit entre les phases ou le neutre et la
terre en haute fréquence, pour écouler les courants HF à la terre. En
l'absence d'un tel filtre, que l'on peut qualifier de filtre de durcissement,
toute
cause de pollution électromagnétique entre ces conducteurs et la terre va
générer des courants HF qui transitent dans l'installation et peuvent
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perturber la charge, c'est-à-dire les différents dispositifs qui constituent
ladite
installation.
En fait, un tel filtre permet de transformer tout régime de neutre en un
régime de neutre de type TNS en haute fréquence, régime qui est identifié
5 comme étant le meilleur pour éviter les déclenchements intempestifs des
produits différentiels, car ils permettent d'éviter une différence de
potentiel
trop importante entre le neutre et le conducteur de protection (terre).
Ce régime de neutre TNS permet en fait de séparer les conducteurs de
neutre et de phase, pour conserver l'équipotentialité de la terre et du neutre
en haute fréquence.
Additionnellement, le dispositif limiteur de l'invention peut comporter au
moins un filtre passe-bas de mode différentiel raccordé entre chaque phase
et le neutre.
Un tel filtre permet de filtrer les perturbations basse fréquence (au moins
50 Hz) venant directement de la source d'alimentation et de lisser les
surtensions et les creux de tension. De préférence, chaque filtre passe-bas
de mode différentiel est connecté à un noeud de distribution vers des circuits
aval ou au voisinage d'équipements sensibles constituant des charges.
Par ailleurs, afin d'augmenter l'impédance en haute fréquence, et ainsi de
limiter les courants correspondants dans l'installation, le dispositif de
l'invention peut comporter au moins une inductance de mode commun
connectée en série dans chaque conducteur. Il peut en pratique y en avoir
deux disposées à chaque extrémité du câble.
La présence d'une ou de deux inductances de mode commun sur un
câble a pour effet de créer un pseudo-isolement en HF entre les extrémités.
Cette configuration est recommandée dans la liaison des circuits de masse
entre deux circuits pour lesquels toute contamination par des parasitages
électriques est à éviter. Les exemples les plus fréquents sont relatifs aux
effets de la foudre et à ceux des câblages associés à un onduleur.
Selon l'invention, l'inductance de mode commun peut être constituée d'un
circuit magnétique fermé entourant au moins un conducteur. Il peut être doté
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d'au moins un entrefer pour des raisons de montage sur des installations
existantes.
En mode commun, l'atténuation des parasitages dans une distribution
d'énergie subdivisionnaire telle qu'un circuit lié à un appartement s'effectue
en plaçant une inductance de mode commun à chacune des extrémités.
L'augmentation d'inductance apparente en HF de la ligne d'alimentation par
une telle inductance placée à chacune des extrémités permet d'augmenter
l'efficacité du filtre passe-bas de mode commun pour le circuit d'utilisation.
Il
en va de même en triphasé et en monophasé.
L'une des conséquences est que, sauf configuration particulière, le
régime de neutre IT (en monophasé ou en triphasé) ne nécessite pas
d'inductance de mode commun dans la distribution d'énergie.
On a mentionné auparavant le fait que le dispositif limiteur de l'invention
s'applique à des installations globales. Ainsi, de préférence, il est installé
en
amont des appareils de l'installation électrique à protéger, par exemple au
niveau des tableaux de distribution électrique et/ou immédiatement en aval
du compteur du fournisseur d'électricité.
De préférence encore, il comporte un plan de masse ou réseau maillé
relié à la terre. Un objectif technique important, abondamment souligné ci-
dessus, consiste en effet à faciliter la connexion à la terre.
Un objectif important du dispositif de l'invention étant de fait de réaliser
des filtrages, notamment pour permettre aux signaux en haute fréquence
d'être écoulés à la terre avant de rentrer dans l'installation, il faut
réaliser des
filtres présentant une impédance qui diminue en fonction de la fréquence.
Idéalement, cette impédance devrait être quasi nulle en haute fréquence,
pour faire court-circuit en HF, et importante en basse fréquence, typiquement
à la fréquence du réseau électrique (50 Hz).
Ainsi, les filtres utilisés dans le cadre du dispositif de l'invention, à
savoir
les filtres passe-bas de mode commun ainsi que les filtres passe-bas de
mode différentiel, comportent à titre essentiel des capacités qui permettent
le
filtrage particulier précité.
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Le filtre de mode différentiel est en fait nécessaire à cause de la
technologie de fabrication des condensateurs utilisés qui induit une
inductance parasite dans chaque condensateur qui limite la valeur de la
capacité à haute fréquence. Ainsi, en positionnant en parallèle entre un
conducteur de phase et le neutre deux condensateurs de valeurs différentes
(l'une appartenant au filtre de mode commun et l'autre au filtre de mode
différentiel), chaque condensateur travaille (filtre le signal) dans sa bande
de
fréquence d'utilisation qui est liée à sa technologie de fabrication. Ce
filtrage
permet ainsi de diminuer l'impédance équivalente de la source d'énergie.
Plus précisément, selon l'invention, le ratio des valeurs des capacités du
filtre passe-bas de mode différentiel et du filtre passe-bas de mode commun
est compris entre 10 et 500, et est de préférence de l'ordre de 100. Il faut
cependant limiter la puissance réactive due aux capacités au maximum de
8% de la puissance totale de l'installation aval et de préférence à une valeur
de 5% de la puissance totale.
Il est à noter que, dans l'invention, le filtre de mode différentiel,
lorsqu'il
est utilisé dans un réseau triphasé avec neutre, est câblé en étoile. Cela
permet de réaliser des courts-circuits HF aussi bien entre les phases
qu'entre phases et neutre, et cela limite l'inductance de câblage.
Par ailleurs, selon une possibilité propre à l'invention, les capacités
utilisées pour le filtre passe-bas de mode différentiel sont de classe X1 ou
X2. L'utilisation des capacités de classe X1 est préférable pour résister à
des
surtensions de l'ordre de 4,5 kV, l'utilisation des capacités de classe X2 est
préférable pour résister à des surtensions de l'ordre de 2,5 kV.
Le fait d'utiliser les dispositifs de l'invention en entrée de l'installation
implique souvent en pratique de les placer non seulement au niveau, mais
plus particulièrement dans les coffrets ou tableaux électriques qui gèrent les
installations. Ainsi, un tel dispositif peut par exemple être logé dans un
tableau principal gérant un bâtiment ou dans des coffrets ou tableaux de
distribution disposés en aval, et qui régissent des installations plus
limitées
par exemple circonscrites à des appartements.
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Dans tous les cas, on reste en amont des appareils de distribution et de
protection qui constituent à proprement parler la partie amont du circuit,
avant les charges. De préférence, selon l'invention et pour faciliter
l'implantation dans des armoires de distribution, au moins le filtre passe-bas
de mode commun peut être placé dans un boîtier d'appareil modulaire, fixé
sur un rail standard d'au moins un coffret de distribution électrique installé
en
amont d'un circuit ou d'un ensemble de circuits à protéger.
Secondairement, dans le cadre de l'invention, on peut prévoir un
parafoudre connecté entre le neutre et chaque phase d'une part et la terre
d'autre part, entre l'inductance de mode commun et le filtre passe-bas de
mode commun. Un tel parafoudre s'ajoute aux autres composants
mentionnés auparavant pour augmenter l'efficacité globale du système
limiteur de perturbations de l'invention.
Il est à noter que les filtres passe-bas de mode commun dont il a été fait
état peuvent comporter au moins un module réjecteur de fréquence actif
dans une bande de fréquences allant de 3 kHz à 143 kHz. L'objectif est de
laisser passer d'éventuels courants porteurs utilisés afin de transmettre de
l'information au travers des conducteurs d'alimentation de l'installation.
L'emploi d'au moins un module réjecteur de fréquence agissant dans la
bande 20 kHz à 143 kHz permet le passage de courants porteurs de type
domotique. Dans certains cas, il pourra être intéressant d'utiliser au moins
un
module réjecteur rejetant la bande des fréquences comprises entre 20 kHz et
70 kHz, permettant d'éviter les résonnances dues à la présence de
transformateurs de tension dans la ligne électrique, de manière à stabiliser
le
réseau. Ces réjecteurs peuvent être positionnés au niveau du filtre passe-
bas ou en série sur les conducteurs de neutre et de phase(s).
Ensuite, les plans de masse, dont on a noté qu'ils sont également de
nature à augmenter l'efficacité du dispositif de l'invention, peuvent être
intégrés à la structure d'un bâtiment dans lequel se trouve l'installation.
Ainsi,
chaque plan de masse peut être constitué par les fers à béton d'un radier,
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connectés en au moins deux endroits par une tresse de section au moins
égale à 50 mm2 à la masse d'un coffret de distribution.
D'autres conducteurs électriques existent en effet dans une installation
(comme les fers à béton par exemple), dont les potentiels sont
complètement flottants (car non référencés aux sources d'énergies), et
peuvent donc être responsables de la prolifération de certaines
perturbations. Ils sont pourtant utilisables comme des plans de masse et ont
dès lors un rôle majeur dans la CEM des bâtiments, car ils constituent ce
qu'on appelle les contrepoids électromagnétiques, masses inertes au plan
électrique qui vont servir de référence première à toutes les arborescences
de distribution et aux équipements sensibles.
Le contrepoids électromagnétique est essentiel dans le référencement
de la source distribuée, par sa connexion directe et courte aux filtres passe-
bas de mode commun. La connexion à la terre est en général longue, et elle
n'assure que la sécurité des personnes et des biens. Ce contrepoids
nécessite de la surface ou du volume dans l'environnement. Une solution
simple, économique et performante est donnée par les fers à béton avec des
remontées de tresses métalliques juste au niveau des armoires électriques
de la distribution.
En cas d'absence, on peut d'ailleurs le constituer ou le reconstituer avec
des bandes de feuillard en cuivre de quelques dixièmes de mm d'épaisseur,
de largeur de l'ordre de 5 cm et de pas de maillage de l'ordre de 50 cm.
Ils doivent être interconnectés de la même manière que les radiers par
au moins 2 points en redondance et mis à disposition par des remontées de
tresses par exemple aux barres collectrices des potentiels de masse des
armoires etc. ou de tout dispositif utile au traitement de l'énergie et de la
distribution.
Alternativement, les plans de masses peuvent aussi être constitués des
châssis métalliques des armoires ou coffrets de distribution électrique.
Toujours dans l'optique d'une amélioration de l'ensemble du système
limiteur de perturbations, on peut prévoir qu'une inductance du mode
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commun est raccordée en série sur le câble reliant un paratonnerre et la
terre.
Le dispositif de l'invention tel qu'il a été présenté auparavant comporte
donc en quelque sorte des étages fonctionnels qu'il est possible de mettre en
5 oeuvre en diverses combinaisons, qui offrent une grande souplesse
d'utilisation dans la mesure ou ledit dispositif peut être adapté par le
prescripteur ou le professionnel à chaque environnement particulier.
L'invention va à présent être expliquée en référence aux figures
annexées, pour lesquelles :
10 - la
figure 1 montre l'implantation de l'invention dans une installation
électrique prenant la forme d'un immeuble à plusieurs étages ; et
- la figure 2 représente un diagramme d'atténuation du filtre passe-bas
de mode commun.
En référence à la figure 1, chaque étage est doté d'un tableau électrique
divisionnaire (1) alimentant le cas échéant des tableaux de distribution (2)
terminaux qui sont par exemple situés en amont d'installations électriques
circonscrites à des appartements. Chacun de ces tableaux (1, 2) est
alimenté par le réseau électrique (5), en l'occurrence représenté en bas à
gauche de l'immeuble.
L'ensemble des immeubles est par ailleurs relié à un conducteur de terre
(3), auquel tous les tableaux (1, 2) sont raccordés.
Selon l'invention, chaque tableau (1, 2) comporte un filtre passe-bas de
mode commun (4) raccordé entre les conducteurs d'alimentation (5) (phases,
neutre), et le conducteur de terre (3). Ledit filtre est essentiellement
constitué
de capacités.
Par ailleurs, un filtre passe-bas de mode différentiel (6), également
constitué de capacités mais dont les valeurs sont comme mentionné
auparavant différentes de celles du filtre de mode commun, est raccordé
entre chaque phase et le neutre des conducteurs d'alimentation (5).
En outre, une inductance de mode commun (7) est connectée en série
dans chaque conducteur, en amont des installations, c'est-à-dire en l'espèce
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en amont des tableaux divisionnaires (1), voire juste en sortie du tableau
principal (1') situé au niveau du sous-sol.
Il est à noter qu'à chaque étage, des fers à béton implantés dans le sol
sont utilisés comme plan de masse (8) formant des contrepoids
électromagnétiques dont on a noté qu'ils sont essentiels dans le
référencement de la source distribuée, car leurs connexions aux filtres
passe-bas de mode commun (4) est bien plus directe et courte que la
connexion de ces derniers avec le conducteur de terre (3) qui constitue en
pratique la terre fonctionnelle.
Il est à noter que dans la représentation de la figure 1, l'installation est
munie d'un paratonnerre également relié à ladite terre fonctionnelle (3) via
une inductance de mode commun (7).
Le tableau divisionnaire principal (1') localisé en aval de l'arrivée de
l'alimentation secteur (5) comporte par ailleurs un parafoudre (10).
Le diagramme de la figure 2 illustre bien les caractéristiques du filtrage
de mode commun qui est mis en oeuvre dans le cadre de la présente
invention. Ainsi, il s'agit bien d'un filtre passe-bas, les fréquences hautes,
notamment au-delà du mégahertz, étant éliminées pour les raisons
développées auparavant.
Le diagramme montre également que le filtre comporte un module
réjecteur de fréquence, pour une bande qui est sensiblement comprise entre
20 kHz et 70 kHz.
