FR2590426A1

FR2590426A1 - Disjoncteur utilisant un echantillonnage de valeur efficace

Info

Publication number: FR2590426A1
Application number: FR8615922A
Authority: FR
Inventors: John James Dougherty; Paul T Martellock; Nora Ann Lund
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-11-19
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1987-05-22
Also published as: CN86107915A; IT1198121B; JPS62163516A; IT8622390A0; DE3638933A1; CN1005227B; US4685024A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA PROTECTION DES CIRCUITS ELECTRIQUES. UN DISJONCTEUR ELECTRONIQUE UTILISE UN PROCESSEUR DE SIGNAL NUMERIQUE 30 POUR ECHANTILLONNER LA VALEUR EFFICACE DU COURANT DU CIRCUIT, EN VUE DE LA COMPARAISON AVEC DES VALEURS DE COURANT ET DES DUREES ENREGISTREES, AVANT LE DECLENCHEMENT. UN TRANSFORMATEUR D'INTENSITE 11-13 APPLIQUE DANS CE BUT UN SIGNAL DE COURANT AU PROCESSEUR. UN CIRCUIT DE DETECTION ANALOGIQUE 25 INTERROMPT L'ECHANTILLONNAGE DE LA VALEUR EFFICACE EN CAS DE DETECTION DE LA SATURATION DU CIRCUIT MAGNETIQUE DU TRANSFORMATEUR, CE QUI SE PRODUIT A DES COURANTS ELEVES, ET COMMANDE LA SELECTION DU RETARD PREDETERMINE LE PLUS COURT AVANT LE DECLENCHEMENT DU DISJONCTEUR. APPLICATION AU MATERIEL ELECTRIQUE INDUSTRIEL.

Description

Il existe à l'heure actuelle des disjoncteurs élec-

troniques qui utilisent des circuits logiques pour déterminer l'existence de conditions de surintensité et pour interrompre

un circuit protégé lorsque de telles conditions de surinten-

sité se prolongent pendant des intervalles de temps prédéter- minés. La demande de brevet des E.U.A. n 626341 décrit un

tel disjoncteur. Des transformateurs d'intensité sont bran-

chés de façon à détecter les courants du circuit dans chacune

des 3 phases d'un système industriel de distribution d'éner-

gie électrique. Les courants secondaires des transformateurs

sont continuellement échantillonnés dans un processeur de si-

gnal numérique qui détermine le courant efficace maximal dans chacune des trois phases à un instant donné quelconque. Comme

il est bien connu dans le domaine de la protection des cir-

cuits, les paramètres de surintensité pour la coupure sont

basés sur les effets d'échauffement sur les divers conduc-

teurs utilisés dans l'ensemble du système de distribution d'énergie. On considère que la condition de surintensité de long terme est liée à l'échauffement des conducteurs omnibus du système, et on laisse cette condition de surintensité

exister pendant un certain temps avant d'interrompre le cir-

cuit. On considère que la condition de surintensité de court terme est liée à l'échauffement des jonctions électriques entre les conducteurs omnibus du système de distribution d'énergie électrique. Du fait que la "résistance de contact"

à ces jonctions augmente rapidement sous l'effet d'une aug-

mentation de la température, la condition de surintensité doit être interrompue en une plus courte durée. Enfin, la situation de forte surintensité qui est produite par un défaut en court-circuit doit être interrompue dès que la condition de

défaut est détectée. Cette réaction à la présence d'une surin-

tensité est qualifiée d'instantanée, en comparaison avec les retards qui sont établis pour les conditions de surintensité de long terme et de court terme, avant le déclenchement de l'interruption du circuit. Les transformateurs d'intensité qu'on utilise pour détecter le courant dans le circuit protégé emploient des circuits magnétiques qui se saturent en présence de conditions correspondant à un courant de défaut élevé. Bien qu'on puisse déterminer de façon précise les valeurs de crête

du courant après la saturation du circuit magnétique du trans-

formateur d'intensité, le courant efficace mesuré qui est né-

cessaire pour une détermination précise de valeur efficace di-

minue alors que le courant efficace vrai continue à augmenter.

On doit donc analyser au moyen du processeur de signal numé-

rique la valeur de crête du courant détecté après que le cir-

cuit magnétique du transformateur d'intensité s'est saturé, pour assurer une détermination de surintensité exacte. Du fait que la détermination de la valeur de crête correspondant à des conditions de surintensité constitue une approximation de la

valeur efficace réelle du courant, basée sur la relation ma-

thématique entre les valeurs de courant de crête et efficace, la détermination du courant de crête est moins précise pour les déterminations de surintensité delong terme et de court terme, et peut conduire à un déclenchement intempestif. Cet effet est décrit dans la demande de brevet des E.U.A. n 743337, déposée le 10 juin 1985, et on pourra se référer à

cette demande pour trouver une bonne description de l'action

d'éléments de circuit capacitifs et inductifs sur la distor-

sion de l'onde de courant efficace, et des erreurs résultantes susceptibles de se produire lorsqu'on utilise des techniques d'échantillonnage de courant de crête dans les conditions de

surintensité de long terme etde court terme, pour des surin-

tensités à courant modéré. Les techniques d'échantillonnage de courant efficace procurent une détermination extrêmement précise des effets d'échauffement sur le circuit protégé avant la saturation du circuit magnétique du transformateur d'intensité, tandis que les techniques d'échantillonnage de courant de crête procurent une représentation précise des effets d'échauffement après que le circuit magnétique du

transformateur d'intensité s'est saturé.

Le but de l'invention est de procurer un moyen

pour déterminer l'apparition de la saturation du circuit ma-

gnétique du transformateur d'intensité et pour ordonner au processeur de signal numérique incorporé dans un disjoncteur électronique de mettre en oeuvre le retard présélectionné le plus court, avant de déclencher des procédures d'interruption

de circuit.

L'invention consiste en un disjoncteur électronique qui utilise des transformateurs d'intensité comportant un circuit magnétique, pour détecter le courant dans un circuit

protégé, et un processeur de signal numérique destiné à dé-

terminer l'apparition d'une condition de surintensité et à interrompre lecourant dans le circuit au bout de retards prédéterminés. Le circuit comprend en outre des éléments de

circuit analogiques destinés à déterminer le début de la sa-

turation des circuits magnétiques des transformateurs d'in-

tensité, et à ordonner au processeur de signal numérique de mettre en oeuvre le retard présélectionné le plus court avant

d'interrompre le circuit.

La suite de la description se réfère aux dessins

annexés qui représentent respectivement:

Figure 1: une représentation schématique d'un dis-

joncteur électronique employant un processeur de signal numé-

rique en combinaison avec le circuit de détection de satura-

tion de transformateur d'intensité conforme à l'invention;

Figure 2: une représentation graphique des paramè-

tres de temps/surintensité qu'on utilise dans le processeur de signal numérique de la figure 1;

Figure 3: une représentation schématique des compo-

sants électroniques incorporés dans le circuit de détection de saturation de transformateur d'intensité de la figure 1;

Figure 4: une représentation sous forme d'organi-

gramme des algorithmes d'échantillonnage de valeur efficace

qu'on utilise dans le processeur de signal numérique représen-

té sur la figure 1;

Figure 5: une représentation sous forme d'organi-

gramme des algorithmes de protection contre les surintensités

qu'on utilise dans le processeur de signal numérique représen-

té sur la figure 1; et

Figure 6: une représentation sous forme d'organi-

gramme de l'algorithme de temps/surintensité qui est incorporé

dans l'organigramme de la figure 4.

La figure 1 montre un dispositif de commande de dis-

joncteur 10 similaire à celui décrit dans la demande de brevet des E.U.A. n 626341 précitée, et dans ce dispositif, des transformateurs d'intensité 11-13 échantillonnant chaque phase

d'un circuit de distribution d'énergie électrique triphasé in-

dustriel, et un transformateur d'intensité de défaut à la te-

re, 14, sont connectés par l'intermédiaire d'une paire de mul-

tiplexeurs 15, 21 et d'amplificateurs échantillonneurs-blo-

queurs 16, 22, à l'entrée d'un double multiplexeur 17, dont

les signaux de sortie sont appliqués à un convertisseur analo-

gique-numérique 24 par une ligne 23, pour être numérisés. Le convertisseur analogique-numérique attaque un microprocesseur par un bus de données auquel sont connectés un circuit de commande de sortie 26 destiné à faire fonctionner le mécanisme

de coupure de circuit, une mémoire vive 28 destinée à effec-

tuer un enregistrement temporaire des données introduites, et une mémoire morte 29 destinée à enregistrer les algorithmes pour la comparaison temps/surintensité. Un émetteur-récepteur 27 connecte le microprocesseur individuel 30 à un ensemble de dispositifs de commande de disjoncteurs similaires, ayant chacun leur propre microprocesseur séparé, pour remplir une fonction de verrouillage interdépendant avec sélectivité de zone dans l'ensemble du circuit industriel de distribution d'énergie électrique. Une mémoire non volatile 31 applique au microprocesseur des points de réglage temps/surintensité présélectionnés, conformément à des options personnelles que

sélectionne chaque utilisateur. Des transformateurs de po-

tentiel 18-20 sont connectés dans chacune des trois phases séparées pour fournir de manière similaire au microprocesseur

des données de tension pour des fonctions de calcul de con-

sommation et de puissance. Le circuit de détection de satura-

tion de circuit magnétique de transformateur d'intensité 25

de l'invention, qu'on appellera ci-après "circuit de détec-

tion", est directement connecté à chacun des transformateurs d'intensité 11-13 des 3 phases par des conducteurs 32-34, et il est également connecté directement au bus de données. Le

circuit de détection est connecté à une entrée du micropro-

cesseur 30 par une ligne à deux conducteurs 35 et il est con-

necté au circuit de commande de sortie 26 par la ligne 71.

Avant de décrire le fonctionnement du circuit de détection 25, il est utile de considérer la représentation de données de déclenchement temps/surintensité, 9, qui est représentée sur la figure 2. La demande de brevet des E.U.A. n 760224, déposée le 29 juillet 1985 présente une bonne explication de

la région de long terme 8, de la rampe de court terme 7 re-

présentée en pointillés et de la région horizontale de court

terme 6. La courbe de déclenchement temps/surintensité défi-

nit un ensemble de valeurs de temps représentées par des bandes de long terme A et des bandes de court terme B, comme décrit dans la demande qu'on vient de mentionner. En ce qui

concerne la présente description, la région de court terme

s'étend jusqu'à 10 fois le courant nominal dans le circuit

protégé, et on l'appelle la région 10X du réglage de déclen-

chement du disjoncteur. Comme décrit précédemment, les trans-

formateurs d'intensité tels que les transformateurs 11-14 de la figure 1, commencent à se saturer à environ 10 fois le courant nominal, ou à la fin de la région 10X de la courbe de déclenchement. Le circuit de détection 25 est conçu de façon à interrompre l'exécution des algorithmes d'échantillonnage

de courant dans le microprocesseur 30 lorsque le courant dé-

tecté atteint la région 10X, pour permettre au microproces- seur de commencer à mesurer l'écoulement du retard de court terme qui est enregistré dans la mémoire non volatile 31. La

région de déclenchement instantanée 5 est indiquée en poin-

tillés à environ 15X.

Les composants incorporés dans le circuit de dé-

tection 25 sont représentés sur la figure 3i sur laquelle les

conducteurs 32-34 sont connectés à une entrée 36 d'un ampli-

ficateur opérationnel 38 par l'intermédiaire de diodes li-

néaires D1-D3. Le courant de crête le plus élevé qui apparaît

sur les conducteurs 32-34 est vu à l'entrée de l'amplifica-

teur opérationnel qui est connecté en amplificateur sépara-

teur non inverseur, ayant un gain égal à l'unité, au moyen du conducteur de contre-réaction 37. L'entrée 36 est connectée à la masse par une résistance de rappel au potentiel négatif,

R1, pour établir une entrée de signal appropriée pour l'am-

plificateur opérationnel. Le condensateur de filtrage C empê-

che que des signaux parasites ne perturbent le signal de sor-

tie apparaissant sur la ligne 39, qui est connectée à l'en-

trée de test d'un comparateur 70 qui est prévu à titre d'op-

tion de déclenchement instantané. L'entrée de référence du

comparateur est connectée par le conducteur 72 au bus de don-

nées, par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analo-

gique 73, pour recevoir des valeurs de point de réglage pour le déclenchement instantané, en vue de la comparaison avec le

signal appliqué sur la ligne 39, et de la génération d'un si-

gnal de sortie de déclenchement sur le conducteur 71 qui est directement connecté au circuit de commande de sortie 26,

comme le montre la figure 1, pour déclencher le disjoncteur.

Le signal qui apparaît sur la ligne 39 est appliqué à l'en-

trée de test d'un second comparateur 43, par des lignes 40 et 41 et une résistance de limitation de courant R2. L'entrée de référence du second comparateur est connectée par la ligne

42 à une source de 5 volts, par l'intermédiaire d'une résis-

tance de polarisation R5, et à une seconde source de 5 volts par l'intermédiaire de résistances de polarisation R3, R4. Le point intermédiaire des résistances R3, R4 est connecté par le conducteur 74 à la sortie du second comparateur qui renvoie un signal de sortie vers le microprocesseur, sur la ligne à deux conducteurs 35, lorsque le signal d'entrée présent sur la ligne 41 dépasse la valeur de référence qui est appliquée à l'entrée de référence. Les résistances R3-R5 sont conçues de façon à établir une hystérésis dans le second comparateur, pour faire en sorte que ce dernier n'oscille pas lorsque les tensions à ses deux entrées sont égales. Le second comparateur

43 a pour fonction d'interrompre l'algorithme d'échantillonna-

ge de courant qui est exécuté dans le microprocesseur 30,

lorsque la tension qui est appliquée à l'entrée de test dépas-

se la tension de référence qui représente 10 fois le courant

nominal du circuit, c'est-à-dire le courant auquel les cir-

cuits magnétiques des transformateurs d'intensité commencent à se saturer. A la réception d'un signal d'interruption sur la

ligne à deux conducteurs 35, le microprocesseur utilise immé-

diatement une valeur de courant maximale prédéterminée pour déterminer les conditions de déclenchementsen présence d'une

surintensité, et il commence à mesurer l'écoulement de l'in-

tervalle de retard de court terme, pour déclencher le dis-

joncteur si la condition de surintensité se prolonge pendant la durée du retard de court terme. Un signal de sortie est émis par le microprocesseur, sur la ligne à deux conducteurs 35, par l'intermédiaire de la résistance de limitation de courant R6, vers la base d'un transistor bipolaire 44 dont

l'émetteur est connecté à la masse. Le collecteur du transis-

tor est connecté à l'entrée de test du second comparateur et

à la sortie de l'amplificateur opérationnel, par l'intermé-

diaire de la résistance de limitation de courant R2 et de la

ligne 40. Lorsque le signal de courant d'entrée de l'amplifi-

cateur opérationnel, sur la ligne 36, dépasse 15 fois le cou-

rant nominal, ce qui indique l'existence d'un défaut en court circuit, le signal de sortie présent sur la ligne 39 dépasse alors la valeur de référence de déclenchement instantané qui

est appliquée à l'entrée de référence, à partir du convertis-

seur analogique-numérique, par la ligne 72, et le comparateur produit un signal de sortie de déclenchement sur la ligne

71 pour interrompre immédiatement le circuit.

Les algorithmes d'échantillonnage de valeur effi-

cace pour le microprocesseur sont représentés dans l'organi-

gramme 46 de la figure 4, dans lequel les courants de phase

A, B, C sont échantillonnés de façon continue (47), en échan-

tillonnant les courants de la phase A (48) et en faisant la

somme des carrés des courants de la phase A (49). On échan-

tillonne les courants de la phase B (50) et on détermine la

somme des carrés des courants de la phase B (51). On échan-

tillonne les courants de la phase C (52) et on détermine la

somme des carrés des courants de la phase C (53). On échan-

tillonne le courant de défaut à la terre (54) et on détermine

la somme des courants de défaut à la terre (55). On échan-

tillonne ces courants 27 fois par cycle, et on détermine au moyen de l'organigramme de l'algorithme de surintensité, 56, représenté sur la figure 5, après l'échantillonnage (46) si un demi-cycle s'est achevé (58). Si un demi-cycle ne s'est

pas achevé, le microprocesseur accomplit un algorithme d'au-

to-test (61). Si un demi-cycle s'est achevé, le microproces-

seur exécute les algorithmes de protection de temps/surinten-

sité (59), et d'autres fonctions de protection (60), comme

indiqué. L'algorithme de saturation des transformateurs d'in-

tensité est représenté dans l'organigramme (57) apparaissant sur la figure 6, et son fonctionnement est le suivant. Apres

avoir exécuté l'algorithme de protection de temps/surintensi-

té (59), on détermine si l'indicateur de saturation de trans-

formateur d'intensité est instauré (62), et dans la négative le courant maximal utilisé par le processeur est le courant

de phase réel le plus élevé (63). Si l'indicateur de satura-

tion de transformateur d'intensité est instauré, le micro-

processeur utilise pour la détermination de surintensité un courant maximal qui est égal au courant prédéterminé le plus élevé possible (64). Le microprocesseur calcule la valeur

efficace (65) et il détermine si la valeur efficace du cou-

rant dépasse ou non le seuil de déclenchement de court terme et, dans l'affirmative, le retard de court terme relatif à la valeur efficace est appliqué (67). Si la valeur efficace

du courant ne dépasse pas les valeurs de seuil de déclenche-

lent de court terme, le microprocesseur détermine si la va-

leur efficace du courant dépasse le seuil de déclenchement de long terme (68), et dans l'affirmative, les valeurs de

retard de long terme relatives à la valeur efficace sont ap-

pliquées (69).

On voit ainsi d'après le fonctionnement du circuit de détection 25 représenté sur les figures 1 et 3, qu'on peut effectuer dans le microprocesseur des déterminations de

temps/surintensité précises, en utilisant des valeurs effi-

caces de courant extrêmement précises, pour éviter des effets de déclenchement intempestifs en relation avec les valeurs de seuil de déclenchement de long terme et de court terme. On

détecte l'apparition de la saturation des circuits magnéti-

ques des transformateurs d'intensité, et on transmet au mi-

croprocesseur un ordre lui demandant d'appliquer les retards de coupure prédéterminés pour des conditions de surintensité de court terme. Dans le cas o le disjoncteur comporte un circuit facultatif de déclenchement instantané en présence

d'une surintensité, on utilise le courant de crête pour dé-

terminer la présence d'une condition de surintensité corres-

pondant à un déclenchement instantané, et on déclenche di-

rectement le disjoncteur sans attendre des instructions pro-

venant du microprocesseur.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Disjoncteur électronique, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de détection de courant (11-13) destinés à déterminer des valeurs efficaces de courant électrique dans un circuit protégé; des moyens d'interrup-

tion de circuit connectés au circuit protégé pour inter-

rompre le circuit protégé sous l'effet d'un ordre; et un processeur de signal (30) connecté aux moyens de détection de courant (11-13) pour comparer les valeurs de courant précitées à des valeurs de surintensité prédéterminées enregistrées, et connecté aux moyens d'interruption de circuit pour actionner ces derniers de façon à interrompre

le circuit protégé, lorsque les valeurs de courants préci-

tées dépassent les valeurs de surintensité prédéterminées et

enregistrées pendant des durées prédéterminées, ce proces-

seur de signal travaillant sur des valeurs du courant jus-

qu'à un premier niveau et travaillant sur des valeurs du

courant à un second niveau supérieur au premier niveau.

2. Disjonction électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection de courant

consistent en transformateurs d'intensité à circuit magnéti-

que (11-13).

3. Disjoncteur électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de

détection de courant de crête (25) connecté aux transforma-

teurs d'intensité (11-13) et aux moyens d'interruption de

circuit, pour déterminer l'existence de valeurs de surinten-

sité de crête dépassant le second niveau, et pour actionner les moyens d'interruption de circuit lorsque ces valeurs de

crête dépassent le second niveau.

4. Disjoncteur électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection de courant de crête (25) comprennent trois diodes linéaires (D1-D3), à savoir une pour chaque phase d'un circuit triphasé, et les sorties de ces trois diodes sont connectées en parallèle à

une entrée (36) d'un amplificateur opérationnel (38) connec-

té en amplificateur séparateur.

5. Disjoncteur électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier com- parateur (70) dont les entrées sont connectées à une sortie

de l'amplificateur séparateur (38) et au processeur de si-

gnal (30), pour comparer le signal de sortie de l'amplifica-

teur séparateur avec une valeur de référence de crête prove-

nant du processeur de signal (30), et pour émettre un signal de déclenchement vers les moyens d'interruption de circuit lorsque le signal de sortie de l'amplificateur séparateur

(38) dépasse la valeur de référence de crête.

6. Disjoncteur électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un second comparateur

(43) dont une entrée est connectée à la sortie de l'amplifi-

cateur séparateur (38), pour comparer le signal de sortie de l'amplificateur séparateur avec une valeur de référence de saturation de circuit magnétique pour les transformateurs

d'intensité (11-13), et pour émettre un signal d'interrup-

tion vers le processeur de signal (30) lorsque le signal de sortie de l'amplificateur séparateur dépasse la valeur de

référence de saturation de circuit magnétique.

7. Disjoncteur électronique selon la revendication

6, caractérisé en ce que le comparateur (43) interrompt éga-

lement le processeur de signal (30) lorsque le signal de sortie de l'amplificateur séparateur (38) dépasse la valeur

de référence de saturation de circuit magnétique, ce qui in-

dique au processeur de signal que les circuits magnétiques

des transformateurs d'intensité se sont saturés.

8. Disjoncteur électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor (44) dont

le collecteur est connecté en commun avec la sortie de l'am-

plificateur séparateur (38) et l'entrée du second compara-

teur (43) tandis que son émetteur est connecté à la masse et

que sa base est connectée au processeur de signal (30), gra-

ce à quoi ce processeur de signal applique un signal d'atta-

que de base au transistor (44) pour le faire passer à l'état conducteur et pour faire disparaître le signal de sortie d'interruption du second comparateur (43).

9. Disjoncteur électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le processeur de signal consiste en

un processeur de signal numérique (30).

10. Disjoncteur électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le second niveau est le niveau de

référence de saturation de circuit magnétique.